211service.com
Engineering bakterier til at høste lys
Almindeligt brugte laboratoriebakterier kaldet E coli kan omdannes til lys-høstende organismer i et enkelt genetisk trin, ifølge ny forskning fra MIT. Den genetiske forbedring gør det muligt for mikroorganismer, der normalt henter deres cellulære energi fra sukkerarter, at skifte til en kost med sollys. Disse resultater kan i sidste ende bruges til at genmanipulere bakterier, der mere effektivt kan producere biobrændstoffer, lægemidler og andre kemikalier.
Bakterier belyst: E. coli konstrueret til at udtrykke proteorhodopsin-proteinet er afbildet ovenfor under fluorescerende lys. Når det aktiveres af lysets korrekte bølgelængde, driver proteinet cellens flagelmotor, så den kan bevæge sig. I dette tilfælde absorberer proteinet grønt lys: når grønt lys skinner på bakterien, bevæger den sig (nederste række). Når rødt lys skinner, forbliver det stationært (øverste række).
Nogle bakterier, såsom cyanobakterier, bruger fotosyntese til at lave sukker, ligesom planter gør. Men andre har en nyopdaget evne til at høste lys gennem en anden mekanisme: ved at bruge lysaktiverede proteiner kendt som proteorhodopsiner, som ligner proteiner, der findes i vores nethinder. Når proteinet er bundet til et lysfølsomt molekyle kaldet retinal og ramt med lys, pumper det positivt ladede protoner hen over cellemembranen. Det skaber en elektrisk gradient, der fungerer som en energikilde, ligesom den spænding eller elektromotoriske kraft, der leveres af batterier.
Først opdaget i marine organismer i 2000, fandt forskerne for nylig ud, at generne for proteorhodopsin-systemet - i det væsentlige et genetisk modul, der omfatter generne, der koder for både proteinet og de enzymer, der kræves for at producere retinal - ofte byttes mellem forskellige mikroorganismer i havet . (Mens vi normalt tænker på gener, der overføres fra forælder til afkom, kan mikroorganismer udveksle stykker DNA lateralt.)
fascineret af udsigten til, at et enkelt stykke DNA virkelig er alt, hvad en organisme behøver for at høste energi fra lys, indsatte forskerne det i E coli . De fandt ud af, at mikroorganismerne syntetiserede alle de nødvendige komponenter og samlede dem i cellemembranen ved at bruge systemet til at generere energi. Alt, der skal til for at få energi fra sollys, er den smule DNA, siger Ed Delong , professor i biologisk ingeniørvidenskab ved MIT og forfatter til undersøgelsen. Resultaterne blev offentliggjort i sidste uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Multimedier
Se en video af en oplyst bakterie.
Resultaterne har implikationer for både marin økologi og for syntetisk biologi, et spirende felt, der har til formål at designe og bygge nye livsformer, der kan udføre nyttige funktioner. Kæmpe genomiske undersøgelser af havet har fundet ud af, at rhodopsin-systemet er overraskende udbredt. Det faktum, at en enkelt genoverførsel kan resultere i en helt ny funktionalitet, hjælper med at forklare, hvordan dette genetiske modul rejste så vidt. Faktisk for mikrober kan denne form for modulbytning være reglen snarere end undtagelsen. Et nyt paradigme er ved at dukke op inden for mikrobiologi: [mikroorganismer] er meget mere flydende, end vi troede, siger Ford Doolittle , Canada Research Chair i komparativ genomik ved DalhousieUniversity, i Nova Scotia.
Disse resultater og anden forskning om proteorhodopsiner kunne give biologiske ingeniører et nyt værktøj at pille ved. Et papir udgivet i sidste måned af Jan Liphardt og kolleger ved University of California, Berkeley, viste det E coli konstrueret til at have en proteorhodopsin-pumpe, kan nemt skifte mellem energikilder: når bakterier udsultes for deres almindelige energiforsyning, bruger de lysenergi til at drive deres flagelmotor, en roterende hale, som bakterier bruger til at svømme. Jo mere lys der er, jo hurtigere går motoren.
Rhodopsin-pumper kunne i sidste ende manipuleres til de mikrober, der almindeligvis bruges til at producere lægemidler og andre kemikalier. Disse bakteriefabrikker mangler nogle gange energi. Ved at bruge disse lysdrevne protonpumper kan bakterier få energi af lys for at øge deres udbytte af metabolitter eller farmakologisk aktive stoffer, siger John L. Spudich , professor i mikrobiologi og molekylær genetik ved University of Texas Medical School i Houston. Et cellulært energiboost kan være særligt nyttigt med den seneste trend inden for bakterieproduktion: konstruktion af mikrober til at producere biobrændstoffer.
Det er lidt som at skabe en hybridbil, siger MIT's Delong . I stedet for at supplere gas med energi lagret i et batteri, kan celler supplere deres energistofskifte med lys.