Et nyligt beskrevet proteinkompleks udfører et trin i bakteriel nedbrydning af herbicidet atrazin. De to AtzE -molekyler er i blå og grøn, og de to AtzG -molekyler er i gul og magenta. Kredit:Colin Scott, CSIRO
Atrazin, et kontroversielt herbicid introduceret til landbruget i 1950'erne, er blevet forbudt i EU, men er meget udbredt i USA og Australien. I de årtier, atrazin har ophobet sig på landbrugsmarker, nogle bakterier i disse jordarter har udviklet evnen til at drage fordel af denne nitrogenrige forbindelse, metaboliserer det og bruger det til at vokse.
Forskere ved Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization of Australia, eller CSIRO, er interesseret i at udnytte bakteriens evne til at nedbryde atrazin for at afhjælpe atrazin-forurenede miljøer. I et nyt forskningsartikel offentliggjort i Journal of Biological Chemistry , et team fra CSIRO og Australian National University beskriver tidligere ukendte proteiner involveret i nedbrydning af atrazin - og den indsigt, som disse kan give os i, hvordan bakterier udvikler nye evner som reaktion på kemikalier syntetiseret af mennesker. "Bakterier er virkelig gode til at udvikle sig for at kunne udnytte nye næringskilder, og de gør dette ved at tilpasse eksisterende cellulære maskiner til nye funktioner, "sagde Colin Scott, leder af teamet for biokatalyse og syntetisk biologi på CSIRO, der havde tilsyn med arbejdet.
At gøre atrazin til en brugbar nitrogenkilde er en proces i flere trin for bakterier, involverer flere enzymer. Hver af disse enzymer havde tidligere tjent forskellige funktioner i bakterieceller i verden før udbredt atrazinforurening. I atrazin-nedbrydende bakterier, generne, der koder for disse enzymer, er grupperet på et afsnit af DNA kaldet et plasmid, som let kan passeres mellem bakterier, giver dem en færdiglavet ny tilpasning.
"Inden for 10 år fra den oprindelige opdagelse (i 1990'erne), gener fra denne vej blev fundet (i bakterier) på stort set alle kontinenter undtagen Antarktis, "Sagde Scott. Med andre ord, som brug af atrazin spredt over hele kloden, det samme gjorde bakteriens evne til at metabolisere det.
Mens enzymerne involveret i flere af disse trin er blevet grundigt beskrevet, strukturen af en af dem, kaldet AztE, var stadig ukendt. AztE er afgørende for omdannelse af en cyanursyre - et mellemtrin i atrazin -nedbrydningsprocessen - til ammoniak.
Lygie Esquirol, en ph.d. studerende i Scotts laboratorium, førte bestræbelserne på at rense dette protein. Da teamet undersøgte proteinet, det fandt noget overraskende:en anden, meget lille protein, hvis eksistens ikke var blevet forudsagt fra bakteriens genom -sekvens, danner et kompleks med AztE. Dette nye protein, som teamet kaldte AztG, syntes at være nødvendig for at stabilisere AztEs struktur.
Sammen, strukturen af AztE og AztG lignede et andet bakterielt proteinkompleks - transamidasomet, som hjælper med at lave bakteriel overførsel af RNA. Dermed, det så ud til, at proteiner, der var involveret i bakteriecellens grundlæggende funktioner, blev re-værktøj til den nye atrazinvej.
"(Transamidasomet) er absolut vigtigt for bakterier på den måde, de laver deres tRNA'er, "Sagde Scott." Det var noget overraskende, at vores protein, som er involveret i pesticidkatabolisme, var (lignende) til dette proteinkompleks, der bruges til central metabolisme. "
Løftet om syntetisk biologi er, at mennesker kan kombinere gener, der koder for forskellige funktioner i en organisme på kreative måder. Imidlertid, selvom det er relativt enkelt at indsætte gener i nye sammenhænge, der er ikke altid en garanti for, at en nybygget vej fungerer efter hensigten. Det er derfor lærerigt at undersøge veje som atrazin -nedbrydningsvejen, hvor bakterier med succes har genanvendt en række ikke -relaterede gener til at gøre noget nyt.
"Denne (vej) er kommet fra andre steder og er blevet brostensbelagt, men der må være nogle underliggende regler og begrænsninger for, hvordan man gør det, "Scott sagde." Vi ved ikke i øjeblikket, hvad designreglerne er for komplekse veje med hensyn til deres genetiske arkitektur. Det, vi ønsker at gøre, er at bruge cyanursyrebanen som en model til at forstå nogle af disse designprincipper. "
Atrazin-nedbrydende bakterier omdanner atrazin til nitrogenholdige forbindelser, som planter potentielt kan bruge som gødning, men dette giver sine egne problemer:Nitrogenafstrømning i vand forårsager algeblomstring og dyrs død. Dermed, et af de nøgleproblemer, som CSIRO -forskere forsøger at løse, er, hvordan reaktionen skal holdes inde, så den kun forekommer, hvor og hvordan mennesker har brug for den. En tilgang er at bruge målrettet anvendelse af enzymer renset fra disse bakterier, frem for bakterierne selv.
"Som en teknologi, vi er gået ud på marken og bevist, at (enzymerne) kan fungere, "Scott sagde." Det næste trin er at arbejde med industrien for at forsøge at implementere nogle af disse løsninger. "