Forskere konstruerer mikrober for at danne minder om deres miljø

Mikrober som bakterier er ikke bevidste nok til at danne minder, men en gruppe videnskabsmænd i Texas udviklede en ny måde for dem at gøre det på det genetiske niveau.

Forskere rapporterer, at de med succes har konstrueret mikrober til at rapportere om deres miljøer og danne genetiske "minder" om begivenheden. Det er et værktøj, der kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå kemisk kredsløb på Jorden, og hvordan mikrober deler information som antibiotikaresistens med hinanden, ifølge forskerne.

"Vi håber, at dette vil hjælpe med at fremme samarbejdet mellem syntetiske biologer og mikrobiologer, " sagde Emily Fulk, en kandidatstuderende ved Rice University i Texas, og som præsenterede sit indledende arbejde ved American Geophysical Union Fall Meeting i 2017 i New Orleans. "Jeg er bare virkelig spændt på rent faktisk at begynde at anvende dette."

Fulk arbejder med jordbakterier, mikrober, der tjener en vigtig rolle i at nedbryde døde organismer og "fiksere" nitrogen fra atmosfæren til former, som planter og dyr kan bruge. Mange spørgsmål forbliver ubesvarede om disse bakterier, herunder hvordan de reagerer på miljøforhold som tørke eller overdreven gødning. At besvare disse spørgsmål kræver lange perioder og konstant overvågning, som er upraktisk ved brug af de nuværende metoder, så Fulk vendte sig til syntetisk biologi.

Biologer har tidligere modificeret gener i en mikrobes plasmid, dets cirkulære kromosom af DNA, ved at indsætte et specifikt gen, der aktiveres, når det er i nærværelse af et kemikalie af interesse. Denne måde, mikroben producerer et signal som reaktion på en miljøstimulus.

Forskere, der er interesserede i at påvise miljømæssige nitrater, molekyler fundet i gødning, for eksempel, kunne indsætte et nitratfølsomt gen i mikrobens plasmid. Derefter, når mikroben fornemmer nitrater i sine omgivelser, det aktiverer genet til at producere et signal eller "rapport" til forskerne.

"Du kan tænke på det som en lyskontakt og en pære, hvor sensoren er som lyskontakten og signalerer pæren, " sagde Fulk. "Du kan se på pæren, eller produceret signal, og sig, 'OKAY, hvis vi ser, at 'lyset er tændt, vi ved, at kontakten er blevet udløst.'"

Traditionelt, lysanalogien var bogstavelig:mikrober blev designet til at gløde eller fluorescere, når de opdagede et specifikt kemikalie. Men i jord, at se fluorescens viser sig at være udfordrende. I stedet, Fulk og hendes kolleger udviklede mikrober, der rapporterer ved at producere en gas.

Det efterlod stadig en enestående udfordring, selvom. For at producere et signal, mikrober skal være i live, og fordi de fleste mikrober kun lever i størrelsesordenen flere timer, deres rapport er kortvarig.

Fulk løste problemet ved at tage gensplejsede mikrober et skridt videre. Hun designede en mikrobe, der ikke kun kunne producere en gas som reaktion på et kemisk signal, men også huske, at den havde produceret gassignalet længe efter, at det aktiverende kemikalie forsvandt og mikroben døde. Med andre ord, hun designede det til at have en hukommelse.

"Ved at bruge hukommelsen, vi kan nu sige, "Lad os inkubere vores mikrober i en uge, en måned, eller en sæson, ' og så i slutningen af ​​det se på mikroberne og se, hvad de har set over hele perioden i stedet for kun på et bestemt tidspunkt, " sagde Fulk.

I et smart design, Fulk indsatte noget, der aldrig er gjort før:separate "lyskontakt"-sensor og "pære"-reportergener. I hendes opsætning, reportergenet skal modificeres, før det kan producere sit gassignal. Lyskontaktgenet, aktiveres, når mikroben spiser sukkeret arabinose, koder for et enzym, der er i stand til at modificere reportergenet. Når lyskontaktgenet er aktiveret, det ændrer og tænder for reportergenet, og mikroben producerer en gas.

Ændringen af ​​reportergenet kan ikke vendes, imidlertid, så mikroben bevarer en genetisk 'hukommelse' af påvisningen. Forskere kan senere søge efter denne genetiske ændring kort efter, at mikroben blev udsat for kemikaliet eller længe efter, at mikroben døde.

"Jeg bliver blæst bagover af det her hver dag, " sagde Fulk. "Vi er virkelig glade for, at vi har fået møtrikker og bolte klaret."

Den nye forskning varsler, hvad Fulk forventer vil være en lang række fremtidige applikationer. Indsættelse af detektorer, der er følsomme over for miljørelevante kemikalier, kan besvare mangeårige spørgsmål for jord- og mikrobielle økologer, hun sagde.

"Ideen er, hvis vi kan gøre dette til et plug-and-play-system af Lego-typen, hvor du vælger din journalist, din hukommelse, ' dit ønskede kemikalie at fornemme, og din mikrobielle vært, så kan den tilpasses til at hjælpe med at løse de spørgsmål, du ønsker, " sagde Fulk.

"Du kan nogle gange opdage uopdagelige materialer med disse mikrober, " sagde Caroline Masiello, hovedefterforskeren for forskningsgruppen ved Rice University. Forskere kunne bruge metoden til at studere dårligt forståede aspekter af svovlkredsløbet eller bakteriel metanproduktion, hun sagde. Men selvom det er spændende, den direkte anvendelse i miljøet virker usandsynlig.

For nu, Fulk og hendes kolleger arbejder sammen med miljøingeniører for at undersøge, hvordan antibiotikaresistens overføres mellem mikrober i spildevandsbehandlingscentre og i jordmiljøer. Ved at bygge en donormikrobe med et lyskontaktgen og en modtagermikrobe med lyspæregenet, de kunne bestemme, hvornår generne samles for at producere en "hukommelse". Og ved det, på tur, vil hjælpe dem med at identificere mikrobe "spioner", de kunne bruge i fremtiden, sagde Fulk.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra AGU Blogs (http://blogs.agu.org), et fællesskab af jord- og rumvidenskabsblogs, vært af American Geophysical Union. Læs den originale historie her.