211service.com
Bacteriën zien evolueren in het lab
Met behulp van snelle nieuwe DNA-sequencing-technologieën volgden onderzoekers van de Universiteit van Californië-San Diego de evolutionaire veranderingen in E coli gekweekt onder stressvolle omstandigheden. Ze konden identificeren welke genen gemuteerd zijn, wanneer en wat de effecten waren op de groei van de bacterie. De onderzoekers zeggen dat de techniek, genaamd experimentele evolutie, diegenen zal helpen die proberen te leren hoe ze bacteriën genetisch kunnen manipuleren om hoge concentraties ethanol en andere nuttige chemicaliën te produceren (zie Bacteriële fabrieken).
Bacteriën zoals E coli evolueren relatief snel: ze delen snel en slordig en geven met fouten gevulde kopieën van hun genetische informatie door aan de volgende generatie. Met behulp van nieuwe microarray-technologie bestudeerden Bernhard Palsson, een professor in bio-engineering, en zijn collega's deze snelle evolutie over zeer korte tijdschalen met een hoog detailniveau.
De vooruitgang zou bijzonder nuttig kunnen zijn voor synthetische biologen die bacteriën herontwikkelen om ze nieuwe functies te geven. Deze benadering zal ons nieuwe inzichten geven in de adaptieve reactie van [organismen] op synthetische onderdelen die worden ingebracht, zoals nieuwe genen of netwerken van genen, zegt James Collins , hoogleraar biomedische technologie aan de Boston University. Onderzoekers brengen dergelijke nieuwe onderdelen in om de synthese van microben van een bepaalde verbinding die nuttig is voor de mens, beter te beheersen. (Onderzoekers hebben bijvoorbeeld gist ontwikkeld die een malariamedicijn produceert; zie Cheaper Malaria Drugs.)
In één reeks experimenten gaven Palsson en zijn collega's E coli alleen met glycerol, dat de microben niet erg goed metaboliseren, voor voeding. De cellen groeiden eerst langzaam, maar na 20 dagen groeiden ze 150 procent sneller en na 44 dagen bloeiden ze. Degenen die meer geschikt waren voor de omgeving namen de cultuur over, zegt Christopher Herring, die als postdoc in het laboratorium van Palsson aan het onderzoek werkte. Er waren in korte tijd dramatische veranderingen in hoe [goed] de cellen groeiden.
Experimentele evolutie zou een krachtig hulpmiddel kunnen zijn voor onderzoekers die werken aan metabolic engineering, zegt Herring. De genetische netwerken van het metabolisme zijn complex en bevatten elementen die onderzoekers moeilijk kunnen voorspellen. Haring zegt dat experimentele evolutie verbanden kan aantonen tussen verschillende fysiologische systemen [die we] niet eerder wisten. Herring is nu onderzoekswetenschapper in Cambridge, MA Mascoma , dat hoopt micro-organismen te ontwerpen die biomassa efficiënt omzetten in ethanol (zie Redesigning Life to Make Ethanol).
Collins zegt dat metabolic engineering vaak irrationeel wordt gedaan. Wanneer onderzoekers nieuwe onderdelen van bacteriën of gisten introduceren, weten ze niet of er andere mutaties zijn geïntroduceerd, laat staan hoe andere routes erbij betrokken kunnen zijn. Vergelijkende genoomsequencing zou dit soort informatie kunnen opleveren, waardoor onderzoekers de effecten van genetisch gemanipuleerde veranderingen beter kunnen voorspellen en snel kunnen identificeren welke veranderingen tot gunstige eigenschappen leiden.
Gregory Stephanopoulos , een chemisch ingenieur aan het MIT en een leider op het gebied van metabole engineering, is meer sceptisch over de impact van de San Diego-aanpak. Het sequencen en analyseren van genomen om relevante mutaties te vinden is niet het probleem, zegt hij. In het groei-experiment van Palsson en Herring was het duidelijk dat: E coli die goed groeiden, waren de moeite waard om opnieuw te sequensen om de relevante mutaties te vinden, zegt hij. Maar als je aan een complex probleem werkt, zoals het verbeteren van de efficiëntie van de ethanolproductie van een microbe, kun je in sommige gevallen superieure stammen identificeren, maar over het algemeen is het niet eenvoudig.
Toch zeggen Stephanopoulos en de anderen dat vergelijkende genoomsequencing onderzoekers nu kan helpen veranderingen in de eigenschappen van microben (zoals het vermogen om te gedijen op glycerol) toe te schrijven aan veranderingen in het genotype. Daarbij kan de technologie microbiologen en farmaceutische bedrijven helpen te bestuderen hoe stammen van antibioticaresistente bacteriën, een groot gezondheidsprobleem, ontstaan en welke mutaties daarvoor verantwoordelijk zijn.