E. coli a szén-dioxid elfogyasztására tervezett baktériumok

Ewen Callaway

A szerző keresése itt:

A baktérium Escherichia coli úgy tervezték, hogy növekedjen a szén-dioxid fogyasztásával. Hitel: Steve Gschmeissner/SPL

E. coli diétát tart. A kutatók létrehozták a laboratóriumi ló baktérium törzsét - teljes név Escherichia coli - amely cukrok vagy más szerves molekulák helyett szén-dioxid fogyasztásával növekszik.

Az eredmény mérföldkő, állítják a tudósok, mert drasztikusan megváltoztatja a biológia egyik legnépszerűbb modellorganizmusának belső működését. És a jövőben CO2-fogyasztás E. coli felhasználható szerves szénmolekulák előállítására, amelyek bioüzemanyagként vagy élelmiszer előállítására használhatók fel. Az így előállított termékek kibocsátása alacsonyabb lenne a hagyományos gyártási módszerekhez képest, és potenciálisan eltávolíthatnák a gázt a levegőből. A mű megjelent Sejt 1 november 27-én.

"Olyan, mint egy metabolikus szívátültetés" - mondja Tobias Erb, a németországi Marburgban található Max Planck Földi Mikrobiológiai Intézet biokémikusa és szintetikus biológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban.

A növények és a fotoszintetikus cianobaktériumok - az oxigént termelő vízi mikrobák - a fény energiáját felhasználják arra, hogy a szén-dioxidot az élet széntartalmú építőköveivé átalakítsák vagy rögzítsék, beleértve a DNS-t, a fehérjéket és a zsírokat. De ezeket a szervezeteket nehéz lehet genetikailag módosítani, ami lelassította az erőfeszítéseket, hogy biológiai gyárakká alakítsák őket.

Ellentétben, E. coli viszonylag könnyen megtervezhető, és gyors növekedése azt jelenti, hogy a változásokat gyorsan tesztelni és módosítani lehet a genetikai változások optimalizálása érdekében. De a baktérium inkább olyan cukrokon nő, mint a glükóz - és ahelyett, hogy széndioxidot fogyasztana, hulladékként bocsátja ki a gázt.

Ron Milo, az izraeli Rehovot-i Weizmann Tudományos Intézet rendszerbiológusa és csapata az elmúlt évtizedet felújítással töltötte E. coliÉtrendje. 2016-ban 2 olyan törzset hoztak létre, amely szén-dioxidot fogyasztott, de a vegyület a szervezet szén-dioxid-bevitelének csak a töredékét tette ki - a többi szerves vegyület volt, amelyet a baktériumok tápláltak, piruvátnak hívták.

Gáz diéta

A legújabb munkában Milo és csapata a géntechnológia és a laboratóriumi evolúció keverékét használta a törzs létrehozásához E. coli amely minden szén-dioxidját meg tudja szerezni a CO2-ból. Először a baktérium génjeit adták, amelyek egy pár enzimet kódolnak, amelyek lehetővé teszik a fotoszintetikus organizmusok számára, hogy a CO2-t szerves széndé alakítsák. A növények és a cianobaktériumok ezt az átalakulást fénnyel működtetik, de ez nem volt megvalósítható E. coli. Ehelyett Milo csapata beillesztett egy gént, amely lehetővé teszi a baktérium számára, hogy energiát gyűjtsön egy formiát nevű szerves molekulából.

Ezekkel a kiegészítésekkel sem volt hajlandó a baktérium a cukorrépát szén-dioxidra cserélni. A törzs további módosítása érdekében a kutatók a módosított sejtek egymást követő generációit tenyésztették E. coli egy évig, csak percnyi mennyiségű cukrot és CO2-t adva nekik, körülbelül 250-szer nagyobb koncentrációban a Föld légkörében. Remélték, hogy a baktériumok mutációkat fognak kifejleszteni, hogy alkalmazkodjanak ehhez az új étrendhez. Körülbelül 200 nap elteltével megjelentek az első sejtek, amelyek képesek szén-dioxidot használni egyetlen szénforrásként. És 300 nap elteltével ezek a baktériumok gyorsabban nőttek a laboratóriumi körülmények között, mint azok, amelyek nem tudtak CO2-ot fogyasztani.

A CO2-fogyasztó vagy autotróf, E. coli törzsek továbbra is növekedhetnek a cukoron - és a választás alapján ezt az üzemanyag-forrást használnák fel a CO2 felett, mondja Milo. A normálishoz képest E. coli, amely 20 percenként megduplázódhat, az autotróf E. coli lemaradók, 18 óránként osztódnak, ha 10% CO2-ot tartalmazó légkörben termesztik őket. Nem képesek megélni cukor nélkül a légköri CO2-szintet - jelenleg 0,041%.

Milo és csapata abban reménykedik, hogy baktériumaik gyorsabban növekednek és alacsonyabb CO2-tartalommal élnek. Azt is megpróbálják megérteni, hogy a E. coli úgy alakult, hogy CO2-t fogyasszon: úgy tűnt, hogy csupán 11 gén változása lehetővé teszi a váltást, és most azon dolgoznak, hogy meghatározzák, hogyan.

A munka „mérföldkő”, és megmutatja a mérnöki tudomány és az evolúció erejét a természetes folyamatok javítása érdekében - mondja Cheryl Kerfeld, a kelet-lansingi Michigani Állami Egyetem és a kaliforniai Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium biomérnöke.

Már, E. coli hasznos vegyi anyagok, például inzulin és emberi növekedési hormon szintetikus változatainak előállítására szolgál. Milo szerint csapata munkája kibővítheti a baktériumok által előállítható termékeket, beleértve a megújuló üzemanyagokat, ételeket és egyéb anyagokat. De nem látja, hogy ez hamarosan megtörténne.

"Ez a koncepció bizonyítéka" - osztja egyet Erb. "Néhány évbe telik, amíg meglátjuk, hogy ez a szervezet alkalmazható."