Talking ScienceΟι ερευνητές του ETH έχουν τροποποιήσει ορισμένα βακτήρια με υπεριώδη ακτινοβολία, έτσι ώστε να παράγουν περισσότερη κυτταρίνη. Η βάση για αυτό είναι μια νέα προσέγγιση με την οποία οι ερευνητές δημιουργούν χιλιάδες βακτηριακές παραλλαγές και επιλέγουν εκείνες που έχουν εξελιχθεί στις πιο παραγωγικές.
Εν συντομία
- Ερευνητές υλικών στο ETH Zurich δημιούργησαν 40.000 παραλλαγές του βακτηρίου Komagataeibacter sucrofermentans που παράγει κυτταρίνη.
- Μεταξύ αυτών ήταν τέσσερις που παράγουν έως και εβδομήντα τοις εκατό περισσότερη κυτταρίνη από αυτές στην αρχική τους μορφή.
- Οι ερευνητές το πέτυχαν χρησιμοποιώντας μια νέα προσέγγιση που αναπτύχθηκε ειδικά για αυτόν τον σκοπό, την οποία έχουν κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.
- Η κυτταρίνη είναι μια πολύ περιζήτητη πρώτη ύλη για τρόφιμα, κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα και βιοϊατρικές εφαρμογές, για παράδειγμα.
Τα βακτήρια παράγουν υλικά που ενδιαφέρουν τον άνθρωπο, όπως κυτταρίνη, μετάξι και μέταλλα. Το πλεονέκτημα της παραγωγής βακτηρίων με αυτόν τον τρόπο είναι ότι είναι βιώσιμο, λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία δωματίου και στο νερό. Ένα μειονέκτημα είναι ότι η διαδικασία απαιτεί χρόνο και οδηγεί σε ποσότητες πολύ μικρές για να είναι βιομηχανικής χρήσης.
Κατά συνέπεια, οι ερευνητές προσπαθούν εδώ και αρκετό καιρό να μετατρέψουν τους μικροοργανισμούς σε ζωντανά μίνι εργοστάσια που μπορούν να παράγουν μεγαλύτερες ποσότητες ενός επιθυμητού προϊόντος πιο γρήγορα. Αυτό απαιτεί είτε στοχευμένη παρέμβαση στο γονιδίωμα είτε την καλλιέργεια των καταλληλότερων βακτηριακών στελεχών.
Μια νέα προσέγγιση παρουσιάζεται τώρα από την ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον André Studart, καθηγητή σύνθετων υλικών στο ETH Zurich, χρησιμοποιώντας το βακτήριο Komagataeibacter sucrofermentans που παράγει κυτταρίνη. Ακολουθώντας τις αρχές της εξέλιξης με φυσική επιλογή, η νέα μέθοδος επιτρέπει στους επιστήμονες να παράγουν δεκάδες χιλιάδες παραλλαγές του βακτηρίου πολύ γρήγορα και να επιλέξουν εκείνα τα στελέχη που παράγουν την περισσότερη κυτταρίνη.
Το K. sucrofermentans παράγει φυσικά κυτταρίνη υψηλής καθαρότητας, ένα υλικό που έχει μεγάλη ζήτηση για βιοϊατρικές εφαρμογές και για την παραγωγή υλικών συσκευασίας και υφασμάτων. Δύο ιδιότητες αυτού του τύπου κυτταρίνης είναι ότι υποστηρίζει την επούλωση των πληγών και προλαμβάνει τις μολύνσεις. «Ωστόσο, τα βακτήρια αναπτύσσονται αργά και παράγουν περιορισμένες ποσότητες κυτταρίνης. Επομένως, έπρεπε να βρούμε έναν τρόπο να ενισχύσουμε την παραγωγή», εξηγεί η Julie Laurent, διδακτορική φοιτήτρια στην ομάδα του Studart και πρώτη συγγραφέας μιας μελέτης που μόλις δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό PNAS.
Η προσέγγιση που ανέπτυξε πέτυχε την παραγωγή ενός μικρού αριθμού παραλλαγών Komagataeibacter που παράγουν έως και εβδομήντα τοις εκατό περισσότερη κυτταρίνη από ό,τι στην αρχική τους μορφή.
Επιτάχυνση της εξέλιξης με υπεριώδη ακτινοβολία
Ο ερευνητής υλικών έπρεπε πρώτα να δημιουργήσει νέες παραλλαγές του αρχικού βακτηρίου που εμφανίζεται στη φύση – γνωστό ως άγριος τύπος. Για να γίνει αυτό, η Julie Laurent ακτινοβόλησε τα βακτηριακά κύτταρα με UV-C φως, το οποίο καταστρέφει τυχαία σημεία του βακτηριακού DNA. Έπειτα τοποθέτησε τα βακτήρια σε ένα σκοτεινό δωμάτιο για να αποτρέψει οποιαδήποτε επισκευή της βλάβης του DNA και έτσι να προκαλέσει μεταλλάξεις.
Χρησιμοποιώντας μια μικροσκοπική συσκευή, έκλεισε στη συνέχεια κάθε βακτηριακό κύτταρο σε μια μικροσκοπική σταγόνα θρεπτικού διαλύματος και επέτρεψε στα κύτταρα να παράγουν κυτταρίνη για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Μετά την περίοδο επώασης, χρησιμοποίησε μικροσκόπιο φθορισμού για να αναλύσει ποια από τα κύτταρα είχαν παραγάγει πολλή κυτταρίνη και ποια είχαν παραγάγει καθόλου ή πολύ λίγη.
Μέσω ενός συστήματος διαλογής που αναπτύχθηκε από την ομάδα του χημικού ETH Andrew De Mello, η ομάδα του Studart ξεχώρισε αυτόματα εκείνα τα κύτταρα που είχαν εξελιχθεί για να παράγουν μια εξαιρετικά μεγάλη ποσότητα κυτταρίνης. Αυτό το σύστημα ταξινόμησης είναι πλήρως αυτοματοποιημένο και πολύ γρήγορο. Μέσα σε λίγα λεπτά, μπορεί να σαρώσει μισό εκατομμύριο σταγονίδια με λέιζερ και να ξεχωρίσει εκείνα που περιέχουν την περισσότερη κυτταρίνη. Μόνο τέσσερις παρέμειναν που παρήγαγαν 50 έως 70 τοις εκατό περισσότερη κυτταρίνη από τον άγριο τύπο.
Τα εξελιγμένα κύτταρα K. sucrofermentans μπορούν να αναπτυχθούν και να παράγουν κυτταρίνη σε ψάθες σε γυάλινα φιαλίδια στη διεπιφάνεια μεταξύ αέρα και νερού. Ένα τέτοιο χαλάκι ζυγίζει φυσικά από δύο έως τρία χιλιοστόγραμμα και έχει πάχος περίπου 1,5 χιλιοστό. Τα χαλάκια κυτταρίνης των πρόσφατα εξελιγμένων παραλλαγών είναι σχεδόν δύο φορές πιο βαριά και παχιά από το άγριο τύπο.
Η Julie Laurent και οι συνεργάτες της ανέλυσαν επίσης αυτές τις τέσσερις παραλλαγές γενετικά για να ανακαλύψουν ποια γονίδια είχαν αλλοιωθεί από το φως UV-C και πώς αυτές οι αλλαγές είχαν οδηγήσει στην υπερπαραγωγή κυτταρίνης. Και οι τέσσερις παραλλαγές είχαν την ίδια μετάλλαξη στο ίδιο γονίδιο. Αυτό το γονίδιο είναι το σχέδιο για ένα ένζυμο αποικοδόμησης πρωτεϊνών – μια πρωτεάση. Προς έκπληξη του ερευνητή υλικών, ωστόσο, τα γονίδια που ελέγχουν άμεσα την παραγωγή κυτταρίνης δεν είχαν αλλάξει. «Υποψιαζόμαστε ότι αυτή η πρωτεάση αποικοδομεί πρωτεΐνες που ρυθμίζουν την παραγωγή κυτταρίνης. Χωρίς αυτή τη ρύθμιση, το κύτταρο δεν μπορεί πλέον να σταματήσει τη διαδικασία», εξηγεί ο ερευνητής.
Διπλώματα ευρεσιτεχνίας σε εκκρεμότητα
Η νέα προσέγγιση είναι ευέλικτη και μπορεί να εφαρμοστεί σε βακτήρια που παράγουν άλλα υλικά. Τέτοιες προσεγγίσεις αναπτύχθηκαν αρχικά για τη δημιουργία βακτηρίων που παράγουν ορισμένες πρωτεΐνες ή ένζυμα. «Είμαστε οι πρώτοι που χρησιμοποιούμε μια τέτοια προσέγγιση για να βελτιώσουμε την παραγωγή μη πρωτεϊνικών υλικών», λέει ο καθηγητής ETH André Studart. «Για μένα, αυτό το έργο είναι ένα ορόσημο».
Οι ερευνητές έχουν υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την προσέγγιση και τις μεταλλαγμένες βακτηριακές παραλλαγές.
Σε ένα επόμενο βήμα, θα ήθελαν να συνεργαστούν με εταιρείες που παράγουν βακτηριακή κυτταρίνη για να δοκιμάσουν τον νέο μικροοργανισμό σε πραγματικές βιομηχανικές συνθήκες.
Aναδημοσίευση άρθρου του Peter Rüegg 30.07.2024 στο ETH Zurich News. Link to original article >
Πηγές:
Laurent JM, Jain A, Kan A, Steinacher M, Enrriquez Casimiro N, Stavrakis S, deMello AJ, Studart AR: Directed Evolution of Material-producing Microorganisms. PNAS, July 23, 2024, 121 (31) e2403585121, doi: 10.1073/pnas.2403585121
