211service.com
Technische microbiële werelden
Een familieverlies versterkte Cullen Buie's interesse in bacteriën - en ze voorgoed te benutten. 25 april 2018
Cody O'Laughlin
Van 's werelds ontelbare soorten bacteriën (schattingen variëren van miljoenen tot miljarden, afhankelijk van wie je het vraagt), hebben wetenschappers er slechts zo'n 20.000 geïdentificeerd en gecatalogiseerd. En van die soorten is minder dan 1 procent onderworpen aan het soort knutselen dat onderzoekers op het bloeiende gebied van genetische manipulatie zou kunnen helpen ze aan te passen voor talloze menselijke doeleinden.
Er is gewoon zoveel dat we niet weten, zegt Cullen Buie, de onlangs aangestelde Esther en Harold E. Edgerton Career Development Professor in de werktuigbouwkunde. Al het werk wordt gedaan op 1 procent van 1 procent. We krabben letterlijk aan de oppervlakte.
Maar het potentieel is enorm: door de genetische code van bestaande bacteriën te veranderen, kunnen onderzoekers in de niet zo verre toekomst micro-organismen bouwen die dingen kunnen doen zoals het behandelen van ziekten, het maken van kunstmest op aanvraag of het opruimen van olielozingen.
Er is al deze motivatie om te proberen de microbiële wereld te benutten, en mensen realiseren zich: 'Man, we worden beperkt door onze tools', zegt hij. Dus Buie gebruikt zijn expertise op het gebied van microfluïdica om apparaten te maken waarvan hij hoopt dat ze echt licht kunnen werpen op allerlei problemen waar ze voorheen niet eens naar konden kijken. Bij MIT leidt hij het Laboratory for Energy and Microsystems Innovation (LEMI), dat zich richt op elektrochemie, microfluïdica en brandstofcelonderzoek, waarvan een groot deel gericht is op het vinden van nieuwe manieren om bacteriën te manipuleren. Hij is ook medeoprichter van een startup die een microfluïdische tool ontwikkelt die het tempo van genetische manipulatie drastisch kan versnellen.
Wauw, dit is perfect
Buie was aanvankelijk niet van plan om bacteriën te bestuderen. Als tiener was hij van plan om medicijnen te gaan studeren, in de voetsporen van zijn oudere zus, Simone. Maar het bijwonen van een pre-college engineering kamp leidde hem naar een major in werktuigbouwkunde aan de Ohio State. Toen, als afgestudeerd onderzoeker van de National Science Foundation aan Stanford, voelde hij zich aangetrokken tot hernieuwbare energie - en tot micro- en nanotechnologieën. Dus ging hij naar het laboratorium van professor werktuigbouwkunde Juan Santiago, die net financiering had gekregen voor een project voor het bouwen van pompen op nanoschaal voor brandstofcellen voor voertuigen. Ik dacht: 'Wauw, dit is perfect. Dit is alternatieve energie en microschalen tegelijk', zegt hij.
Onder Santiago richtte Buie zich op microfluïdische elektro-osmotische pompen die elektrische velden gebruiken om de druk en het debiet te regelen. Voor zijn proefschrift onderzocht hij het gebruik ervan in brandstofcellen bij lage temperatuur. Tijdens een postdoctoraal onderzoek aan de University of California, Berkeley, richtte Buie zijn aandacht op microbiële brandstofcellen, die vaak worden gebruikt in biosensoren en afvalwaterzuiveringsinstallaties. Microbiële brandstofcellen bevatten bacteriën die aan een elektrode zijn bevestigd. Wanneer ze organisch materiaal krijgen uit bronnen zoals afvalwater, breken de bacteriën het voedsel af, waardoor elektronen kunnen worden gebruikt om een elektrische stroom te creëren.
Oppervlakte-eigenschappen bepalen of bacteriën die door een afgekneld microfluïdisch kanaal stromen, worden geïmmobiliseerd door bepaalde elektrische velden. Met dank aan cullen buie
Het jaar daarop werd bacterieel werk persoonlijk. In 2010, kort nadat hij als universitair docent werktuigbouwkunde aan de MIT-faculteit was gaan werken, kreeg hij een telefoontje. Zijn zus Simone was eerder die dag opgenomen in een ziekenhuis in Ohio met razende koorts, snelle hartslag en pijn. Ze stierf uren later aan sepsis, een aandoening die optreedt wanneer het lichaam zich inspant om gewone bacteriën te bestrijden, zoals: Staphylococcus aureus (stafylokok) en Streptokokken ontsteking veroorzaken die leidt tot orgaanfalen.
Buie was er kapot van. Terwijl hij zijn verdriet verwerkte, begon hij na te denken over de dood van zijn zus vanuit een wetenschappelijk perspectief. Het was een beetje schokkend voor mij dat er nog steeds mensen stierven aan bacteriële infecties, zegt hij. Ik werkte al aan microbiële brandstofcellen, en toen dit gebeurde, wekte het mijn nieuwsgierigheid naar bacteriën en alle verschillende dingen die ze kunnen doen, zowel goede als slechte.
Destijds kwam LEMI net van de grond en volgden de eerste studenten en postdocs uiteenlopende onderzoekspaden. Het ene project was gericht op nieuwe manieren om superhydrofiele (waterabsorberende) en superhydrofobe (waterafstotende) oppervlakken te fabriceren - technieken die nuttig kunnen zijn in scheepsbouwkunde - terwijl een ander gericht was op het ontwerpen van een nieuw type batterij dat vloeistofdynamica gebruikt om de componenten te behouden verschillend.
Er is gewoon zoveel dat we niet weten. Al het werk wordt gedaan op 1 procent van 1 procent. We krabben letterlijk aan de oppervlakte.
Ondertussen concentreerden andere LEMI-onderzoekers zich op het ontwikkelen van microfluïdische hulpmiddelen die een proces zouden gebruiken dat diëlektroforese wordt genoemd om bacteriën te sorteren op basis van de elektrische eigenschappen van hun cellen, waaronder polarisatie, de opbouw van lading op hun oppervlak. Voor dit project gebruikte het team van Buie microfluïdische kanalen met een breedte van ongeveer vijf mensenhaar, met knelpunten van ongeveer een tiende van die grootte in het midden. Ze duwden cellen van Pseudomonas aeruginosa bacteriën door de kanalen en aangelegde elektrische velden. Terwijl ze de spanning verhoogden, gleden verschillende bacteriestammen door het kanaal terwijl andere stopten bij de knelpunt , waar het elektrische veld het meest intens was.
Waar een cel precies stopte - en hoe intens het elektrische veld op dat moment was - toonden onderzoekers hoe gepolariseerd het oppervlak van de bacterie was, wat aanwijzingen gaf over de pathogeniciteit ervan. Meer pathogene stammen van Pseudomonas aeruginosa hebben meer kans om te polariseren bij lagere spanningen, wat Buie ertoe bracht te denken dat het onderzoek zou kunnen worden toegepast om bacteriële aandoeningen zoals sepsis op tijd te diagnosticeren om levens te redden.
Er waren echter al meer praktische methoden om te bepalen of bacteriën pathogeen zijn. Nu richt Buie zich op het gebruik van diëlektroforese om genetische informatie te koppelen aan de fysieke eigenschappen van bacteriën. Als bijvoorbeeld genen uit een weinig bestudeerde bacteriestam worden geslagen, kunnen eventuele veranderingen in polarisatie enige informatie bieden over wat het nut van die genen zou kunnen zijn of welk deel van de cel ze zouden kunnen beïnvloeden, zegt hij.
Van buiten naar binnen
Tegen 2013 had Buie zijn aandacht gericht op het vinden van een manier om genetische manipulatie drastisch te versnellen. Onderzoekers hadden lang verschillende soorten DNA in cellen ingebracht om te proberen ze bijvoorbeeld ziekteverwekkers te laten bestrijden of koolstofdioxide te metaboliseren om de klimaatverandering te helpen verminderen. Maar de hulpmiddelen voor het afleveren van het vreemde DNA vorderden niet zo snel als de strategieën om de gemanipuleerde cellen te gebruiken, ontdekte hij na een ontmoeting met een vertegenwoordiger van de Defense Advanced Research Projects Agency tijdens een lezing over synthetische biologie.
Cody O'Laughlin
Om DNA in cellen te krijgen, vertrouwen veel onderzoekers op elektroporatie - een methode om fijn afgestemde elektrische pulsen te gebruiken om tijdelijk poriën in celmembranen te openen. Maar het proces vereist dat onderzoekers het exacte elektrische veld kennen dat de poriën zal openen zonder de cel te doden. Het vinden van dat specifieke veld en het juiste groeimedium voor een bepaalde bacteriestam kan jaren duren. En als dat eenmaal is gebeurd, is het proces van het voorbereiden, pipetteren en elektrisch zappen van elk monster uiterst traag. Buie schat dat een ervaren onderzoeker slechts 20 tot 50 monsters per uur kan elektroporeren, waardoor het aantal experimenten dat een laboratorium kan uitvoeren aanzienlijk wordt beperkt.
Dus met de hulp van een DARPA-beurs begon Buie te werken aan een snellere manier om cellen te elektroporeren - en uiteindelijk zou hij ook het proces automatiseren. Zijn team - waaronder LEMI-postdocs Paulo Garcia en Jeffrey Moran evenals afgestudeerde student Zhifei Ge, PhD '16 - gebruikte een opstelling die vergelijkbaar was met die in Buie's eerdere diëlektroforese-experimenten, maar ze voegden aan het microfluïdische kanaal een fluorescerende marker toe die zou gloeien in aanwezigheid van DNA. Kanalen waren gevuld met bacteriën, en terwijl elektrische velden rond de bottleneck toenam, gingen membraanporiën open, waardoor de marker binnenkwam. Eenmaal binnen reageerde het met het DNA van de bacterie en liet de cel gloeien, wat een zichtbare indicator was van het elektrische veld dat nodig is om de poriën van een bepaalde stam te openen.
Als onderzoekers dat eenmaal weten, staan ze nog steeds voor de moeizame taak om elke cel handmatig te zappen om het gewenste DNA in te voegen. Dus ontwierpen Buie, -Garcia en LEMI-afgestudeerde onderzoeksassistent Rameech -McCormack, SM '17, ook een pipet die het juiste elektrische veld toepast terwijl de cellen door elektrisch geladen microfluïdische kanalen stromen die in de punt zijn ingebouwd. Via hun startup, Kytopen genaamd, ontwikkelen Buie en Garcia (die de CEO van Kytopen is) een geautomatiseerd systeem dat is uitgerust met 96 of meer gelijktijdig elektroporerende pipetten, die elk elke acht tot tien seconden een monster kunnen aanpakken. Door het mogelijk te maken om DNA tot 10.000 keer sneller in bacteriële cellen in te brengen, kan het apparaat onderzoekers in staat stellen om snel miljoenen variaties op een experiment in genetische manipulatie te doorlopen. (Kytopen is een van de eerste bedrijven die wordt ondersteund door The Engine, het durffonds/versneller van MIT voor startende startups die werken aan technologieën met een groot potentieel maar met lange ontwikkelingstijden. Zie Investing in Tech That's Worth the Wait, maart/april 2018.)
Buie's volgende stap is om zijn elektroporatie-apparaat te testen op organismen die wetenschappers nog niet genetisch kunnen manipuleren, en hij begint met bacteriën in de mond. Het Forsyth Institute, een non-profitorganisatie voor biotechnologisch onderzoek, heeft honderden soorten menselijke orale bacteriën geïsoleerd. Buie werkt samen met Christopher Johnston van Forsyth, een microbiologie-onderzoeker die methoden ontwikkelt om celafweersystemen te ontwijken die vreemd DNA afwijzen. Samen willen ze minimaal 200 bacteriestammen beschikbaar maken voor genetische manipulatie.
Als ze erin slagen het aantal organismen dat wetenschappers kunnen manipuleren aanzienlijk uit te breiden, zou het onderzoek ooit kunnen worden gebruikt om bacteriën te ontwikkelen voor belangrijke toepassingen in de gezondheidszorg, energie, landbouw en milieuwetenschappen.
Buie hoopt dat zijn werk andere onderzoekers in staat zal stellen om moeilijkere vragen aan te pakken. Mensen zullen stoppen met te zeggen: 'Ik kan niet aan die bug werken' omdat ze geen genetica kunnen doen, zegt hij. Ze zullen zeggen: 'Waarom proberen we dit niet?'