211service.com
Engineering mikrobielle verdener
Et familietab forstærkede Cullen Buies interesse for bakterier - og for at udnytte dem til gode. 25. april 2018
Cody O'Laughlin
Af verdens utallige arter af bakterier (skøn spænder fra millioner til milliarder, afhængigt af hvem du spørger), har videnskabsmænd kun identificeret og katalogiseret omkring 20.000. Og blandt disse arter er færre end 1 procent blevet udsat for den form for fidus, der kunne hjælpe forskere inden for det blomstrende genteknologiske område med at tilpasse dem til utallige menneskelige formål.
Der er bare så meget, vi ikke ved, siger Cullen Buie, den nyligt fastansatte Esther og Harold E. Edgerton Karriereudviklingsprofessor i maskinteknik. Alt arbejdet udføres på 1 procent af 1 procent. Vi ridser bogstaveligt talt bare i overfladen.
Men potentialet er enormt: Ved at ændre den genetiske kode for eksisterende bakterier kan forskere i en ikke så fjern fremtid muligvis bygge mikroorganismer, der kan gøre ting som at behandle sygdomme, skabe gødning efter behov eller rydde op i olieudslip.
Der er al denne motivation til at forsøge at udnytte den mikrobielle verden, og folk indser, 'Man, vi er begrænset af vores værktøjer,' siger han. Så Buie bruger sin mikrofluidikekspertise til at skabe enheder, som han håber virkelig kan kaste lys over alle slags problemer, som de bare ikke engang kunne se på før. På MIT leder han Laboratory for Energy and Microsystems Innovation (LEMI), som fokuserer på elektrokemi, mikrofluidik og brændselscelleforskning, meget af det rettet mod at finde nye måder at manipulere bakterier på. Han har også været med til at stifte en startup, der udvikler et mikrofluidisk værktøj, der dramatisk kunne accelerere tempoet i genteknologi.
Wow, det her er perfekt
Buie satte sig ikke i første omgang for at studere bakterier. Som teenager havde han tænkt sig at forfølge medicin og fulgte i fodsporene på sin ældre søster, Simone. Men at deltage i en pre-college engineering camp førte ham til hovedfag i maskinteknik i Ohio State. Så, som National Science Foundation-forsker ved Stanford, blev han tiltrukket af vedvarende energi - og af mikro- og nanoteknologier. Så han sluttede sig til laboratoriet hos professor i mekanik, Juan Santiago, som netop havde modtaget støtte til et projekt, der bygger nanoskalapumper til køretøjers brændselsceller. Jeg tænkte: 'Wow, det her er perfekt. Det her er alternativ energi og mikroskalaer på én gang,” siger han.
Under Santiago fokuserede Buie på mikrofluidiske elektro-osmotiske pumper, der bruger elektriske felter til at regulere tryk og flowhastighed. Til sin afhandling udforskede han deres anvendelse i lavtemperaturbrændselsceller. I et postdoc-stipendium ved University of California, Berkeley, vendte Buie sin opmærksomhed mod mikrobielle brændselsceller, som ofte bruges i biosensorer og spildevandsbehandlingsanlæg. Mikrobielle brændselsceller indeholder bakterier knyttet til en elektrode. Når de får organisk materiale fra kilder som spildevand, nedbryder bakterierne maden, så elektroner kan udnyttes til at skabe en elektrisk strøm.
Overfladeegenskaber bestemmer, om bakterier, der strømmer gennem en klemt mikrofluidisk kanal, immobiliseres af visse elektriske felter. Udlånt af Cullen Buie
Året efter blev bakteriearbejdet personligt. I 2010, kort efter at han kom til MIT-fakultetet som adjunkt i maskinteknik, fik han et telefonopkald. Hans søster -Simone var blevet indlagt på et hospital i Ohio tidligere på dagen med en rasende feber, hurtig hjerterytme og smerte. Hun døde timer senere af sepsis, en tilstand, der opstår, når kroppens bestræbelser på at bekæmpe almindelige bakterier som f.eks. Staphylococcus aureus (staph) og Streptokokker udløse betændelse, der fører til organsvigt.
Buie var knust. Da han gennemarbejdede sin sorg, begyndte han at tænke på sin søsters død fra et videnskabeligt perspektiv. Det var en lille smule chokerende for mig, at folk stadig døde af bakterielle infektioner, siger han. Jeg arbejdede allerede på mikrobielle brændselsceller, og så da dette skete, vakte det min nysgerrighed omkring bakterier og alle de forskellige ting, de kan gøre, både gode og dårlige.
På det tidspunkt var LEMI lige ved at komme i gang, og dets første studerende og postdocs var på vej ad forskellige forskningsveje. Et projekt fokuserede på nye måder at fremstille superhydrofile (vandabsorberende) og superhydrofobe (vandafvisende) overflader - teknikker, der kunne være nyttige i flådeteknik - mens et andet fokuserede på at designe en ny type batteri, der bruger væskedynamik til at beholde dets komponenter adskille.
Der er bare så meget, vi ikke ved. Alt arbejdet udføres på 1 procent af 1 procent. Vi ridser bogstaveligt talt bare i overfladen.
I mellemtiden fokuserede andre LEMI-forskere på at udvikle mikrofluidiske værktøjer, der ville bruge en proces kaldet dielektroforese til at sortere bakterier i henhold til deres cellers elektriske egenskaber, som inkluderer polarisering, opbygning af ladning på deres overflade. Til dette projekt brugte Buies team mikrofluidiske kanaler i bredden af omkring fem menneskehår, med flaskehalspunkter omkring en tiendedel af størrelsen i midten. De skubbede celler af Pseudomonas aeruginosa bakterier gennem kanalerne og påførte elektriske felter. Da de øgede spændingen, gled forskellige bakteriestammer gennem kanalen, mens andre stoppede ved flaskehals , hvor det elektriske felt var mest intenst.
Præcis hvor en celle stoppede - og hvor intenst det elektriske felt var på det tidspunkt - viste forskerne, hvor polariseret overfladen af bakterien var, og gav fingerpeg om dens patogenicitet. Flere patogene stammer af Pseudomonas aeruginosa er mere tilbøjelige til at polarisere ved lavere spændinger, hvilket fik Buie til at tro, at forskningen kunne bruges til at hjælpe med at diagnosticere bakterielle tilstande som sepsis i tide til at redde liv.
Der eksisterede allerede mere praktiske metoder til at afgøre, om bakterier er sygdomsfremkaldende. Nu fokuserer Buie på at bruge dielektroforese til at forbinde genetisk information med bakteriers fysiske egenskaber. Hvis for eksempel gener slås ud af en lidet undersøgt bakteriestamme, kan eventuelle resulterende ændringer i polarisering give nogle oplysninger om, hvad der kan være nytten af disse gener, eller hvilket område af cellen de kan påvirke, siger han.
Udefra og ind
I 2013 havde Buie vendt sin opmærksomhed mod at finde en måde at dramatisk fremskynde genteknologi. Forskere havde længe indsat forskellige slags DNA i celler for at forsøge at få dem til fx at bekæmpe patogener eller omsætte kuldioxid for at hjælpe med at afbøde klimaændringer. Men værktøjer til at levere det fremmede DNA udviklede sig ikke så hurtigt som strategierne til at udnytte de manipulerede celler, erfarede han efter at have mødt en repræsentant for Defense Advanced Research Projects Agency til en snak om syntetisk biologi.
Cody O'Laughlin
For at få DNA ind i cellerne er mange forskere afhængige af elektroporation - en metode til at bruge finjusterede elektriske impulser til midlertidigt at åbne porer i cellemembraner. Men processen kræver, at forskere kender det nøjagtige elektriske felt, der vil åbne porerne uden at dræbe cellen. At finde det specifikke felt og det rigtige vækstmedium for enhver given bakteriestamme kan tage år. Og når det er gjort, er processen med at forberede, pipettere og elektrisk zapping af hver prøve omhyggeligt langsom. Buie anslår, at en dygtig forsker kun kan elektroporere 20 til 50 prøver i timen, hvilket væsentligt begrænser antallet af eksperimenter et laboratorium kan udføre.
Så ved hjælp af en DARPA-bevilling begyndte Buie at arbejde på en hurtigere måde at elektroporere celler på - og til sidst ville han også tackle automatiseringen af processen. Hans team – som omfattede LEMI postdocs Paulo Garcia og Jeffrey Moran samt kandidatstuderende Zhifei Ge, PhD '16 – brugte en opsætning svarende til den i Buies tidligere dielektroforese-eksperimenter, men de tilføjede til mikrofluidkanalen en fluorescerende markør, der ville gløde i nærvær af DNA. Kanaler blev fyldt med bakterier, og da elektriske felter steg omkring flaskehalsen, åbnede membranporerne sig og lukkede markøren ind. Når den først var inde, reagerede den med bakteriens DNA og fik cellen til at lyse, hvilket gav en synlig indikator for det elektriske felt, der er nødvendigt for at åbne en bestemt stammes porer.
Når først forskerne ved det, står de stadig over for den besværlige opgave at manuelt zappe hver celle for at indsætte det ønskede DNA. Så Buie, -Garcia og LEMI-uddannet forskningsassistent Rameech -McCormack, SM ’17, designede også en pipette, der anvender det korrekte elektriske felt, når cellerne strømmer gennem elektrisk ladede mikrofluidiske kanaler indbygget i dens spids. Gennem deres opstart, kaldet Kytopen, udvikler Buie og Garcia (der fungerer som Kytopens CEO) et automatiseret system udstyret med 96 eller flere samtidigt elektroporerende pipetter, som hver kan tackle en prøve hver otte til 10 sekunder. Ved at gøre det muligt at indsætte DNA i bakterieceller op til 10.000 gange hurtigere, kunne enheden give forskere mulighed for hurtigt at gennemskue millioner af variationer på et eksperiment inden for genteknologi. (Kytopen er blandt de første virksomheder, der støttes af The Engine, MIT’s venturefond/accelerator for startups i tidlige stadier, der arbejder på teknologier med stort potentiale, men lange udviklingstidslinjer. Se Investing in Tech That’s Worth the Wait, marts/april 2018.)
Buies næste skridt er at prøvekøre sin elektroporationsenhed på organismer, som videnskabsmænd endnu ikke er i stand til at genmanipulere, og han begynder med bakterier i munden. Forsyth Institute, en nonprofitorganisation for bioteknologisk forskning, har isoleret hundredvis af varianter af menneskelige orale bakterier. Buie er gået sammen med Forsyths Christopher Johnston, en mikrobiologisk forsker, der udvikler metoder til at undvige celleforsvarssystemer, der afviser fremmed DNA. Sammen sigter de mod at gøre mindst 200 bakteriestammer tilgængelige til genteknologi.
Hvis det lykkes dem at udvide antallet af organismer, forskere kan manipulere markant, kan forskningen en dag blive brugt til at konstruere bakterier til vigtige anvendelser inden for sundhedspleje, energi, landbrug og miljøvidenskab.
Buie håber, at hans arbejde vil give andre forskere mulighed for at tage mere vanskelige spørgsmål. Folk vil holde op med at sige 'jeg kan ikke arbejde på den fejl', fordi de ikke kan genetik, siger han. De vil sige, 'Hvorfor prøver vi ikke dette?'