211service.com
Technische bacteriën om licht te oogsten
Veelgebruikte laboratoriumbacteriën genaamd E coli kan volgens nieuw onderzoek van MIT in één enkele genetische stap worden omgezet in licht oogstende organismen. Door de genetische verbetering kunnen micro-organismen die normaal hun cellulaire energie uit suikers halen, overschakelen op een dieet van zonlicht. Deze bevindingen kunnen uiteindelijk worden gebruikt om bacteriën genetisch te manipuleren die efficiënter biobrandstoffen, medicijnen en andere chemicaliën kunnen produceren.
Bacteriën verlicht: E. coli die is ontwikkeld om het proteorhodopsine-eiwit tot expressie te brengen, is hierboven afgebeeld onder fluorescerend licht. Wanneer geactiveerd door de juiste golflengte van licht, voedt het eiwit de flagellaire motor van de cel, waardoor het kan bewegen. In dit geval neemt het eiwit groen licht op: als er groen licht op de bacterie schijnt, beweegt deze (onderste rij). Als er rood licht wordt geschenen, blijft het stil staan (bovenste rij).
Sommige bacteriën, zoals cyanobacteriën, gebruiken fotosynthese om suikers te maken, net als planten. Maar anderen hebben een nieuw ontdekt vermogen om licht te oogsten via een ander mechanisme: met behulp van door licht geactiveerde eiwitten die bekend staan als proteorhodopsines, die vergelijkbaar zijn met eiwitten die in ons netvlies worden aangetroffen. Wanneer het eiwit is gebonden aan een lichtgevoelig molecuul dat retina wordt genoemd en wordt geraakt door licht, pompt het positief geladen protonen door het celmembraan. Dat creëert een elektrische gradiënt die fungeert als een energiebron, net zoals de spanning of elektromotorische kracht die door batterijen wordt geleverd.
Voor het eerst ontdekt in mariene organismen in 2000, ontdekten wetenschappers onlangs dat de genen voor het proteorhodopsinesysteem - in wezen een genetische module die de genen omvat die coderen voor zowel het eiwit als de enzymen die nodig zijn om het netvlies te produceren - vaak worden uitgewisseld tussen verschillende micro-organismen in de oceaan . (Hoewel we meestal denken aan genen die van ouder op nageslacht worden doorgegeven, kunnen micro-organismen stukjes DNA lateraal uitwisselen.)
Geïntrigeerd door het vooruitzicht dat een enkel stukje DNA eigenlijk alles is wat een organisme nodig heeft om energie uit licht te halen, stopten de onderzoekers het in E coli . Ze ontdekten dat de micro-organismen alle noodzakelijke componenten synthetiseerden en ze in het celmembraan assembleerden, waarbij ze het systeem gebruikten om energie op te wekken. Het enige dat nodig is om energie uit zonlicht te halen, is dat stukje DNA, zegt Ed Delong , hoogleraar biologische technologie aan het MIT en auteur van de studie. De resultaten zijn vorige week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .
Multimedia
Bekijk een video van een verlichte bacterie.
De bevindingen hebben implicaties voor zowel de mariene ecologie als voor de synthetische biologie, een opkomend veld dat tot doel heeft nieuwe levensvormen te ontwerpen en te bouwen die nuttige functies kunnen vervullen. Gigantische genomische studies van de oceaan hebben aangetoond dat het rodopsinesysteem verrassend wijdverbreid is. Het feit dat een enkele genoverdracht kan resulteren in een geheel nieuwe functionaliteit, verklaart waarom deze genetische module zo veel heeft gereisd. In feite is dit soort modulewisseling voor microben eerder regel dan uitzondering. Er ontstaat een nieuw paradigma in de microbiologie: [micro-organismen] zijn veel vloeibaarder dan we dachten, zegt Ford Doolittle , Canada Research Chair in vergelijkende genomica aan de Dalhousie University, in Nova Scotia.
Deze bevindingen en ander onderzoek naar proteorhodopsines zouden biologische ingenieurs een nieuw hulpmiddel kunnen bieden om mee te sleutelen. Een paper dat vorige maand werd gepubliceerd door Jan Liphardt en collega's van de University of California, Berkeley, toonden aan dat: E coli ontworpen om een proteorhodopsinepomp te hebben, kan gemakkelijk schakelen tussen energiebronnen: wanneer bacteriën worden uitgehongerd door hun reguliere energievoorziening, gebruiken ze lichtenergie om hun flagellaire motor aan te drijven, een roterende staart die bacteriën gebruiken om te zwemmen. Hoe meer licht er is, hoe sneller de motor gaat.
Rhodopsinepompen zouden uiteindelijk kunnen worden ingebouwd in de microben die gewoonlijk worden gebruikt om medicijnen en andere chemicaliën te produceren. Deze bacteriefabrieken komen soms energie te kort. Met behulp van deze door licht aangedreven protonpompen kunnen bacteriën worden geactiveerd door licht om hun opbrengst aan metabolieten of farmacologisch actieve stoffen te verhogen, zegt John L. Spudich , hoogleraar microbiologie en moleculaire genetica aan de University of Texas Medical School in Houston. Een cellulaire energieboost kan met name van pas komen bij de nieuwste trend in de productie van bacteriën: microben engineeren om biobrandstoffen te produceren.
Het is een beetje zoals het maken van een hybride auto, zegt MIT's Delong . In plaats van gas aan te vullen met energie die in een batterij is opgeslagen, kunnen cellen hun energiemetabolisme aanvullen met licht.