Hvis lyset tændes og slukkes, bliver bakterier til kemiske fabrikker

Forskere ved Princeton University har skabt en ny og forbedret måde til mere præcist at kontrollere gensplejsede bakterier:ved blot at tænde og slukke lyset. Arbejder i E coli , arbejdshestens organisme for forskere til at konstruere metabolisme, forskere udviklede et system til styring af et af de vigtige genetiske kredsløb, der er nødvendige for at omdanne bakterier til kemiske fabrikker, der producerer værdifulde forbindelser såsom biobrændstoffet isobutanol.

"Alt du behøver er belysning, sagde José Avalos, en assisterende professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Princeton University og ved Andlinger Center for Energy and the Environment", og seniorforfatter til resultaterne, udgivet i Naturens kemiske biologi . "Der er mange potentielle fordele, en af ​​dem er evnen til nemt at tune og vende induktionssignalet."

Det nye værk bygger på Avalos og hans kollegers tidligere arbejde, beskrevet i Natur i 2018, hvor de fremstillede gær til at producere kemikalier i nærvær eller fravær af lys. E coli , imidlertid, er endnu mere udbredt af videnskabsmænd og ingeniører end gær.

Avalos og hans kolleger er ikke de første til at skabe E coli hvis genekspression styres af lys. Men de er de første til at bruge lys til at kontrollere produktionen af ​​kemikalier. De er også de første til at bruge lys til at styre lac-operonen, en gruppe af gener, der oftest bruges til kemisk induktion i E coli . "Lac-operonen er guldstandardkredsløbet, som folk har brugt i årtier, "Avalos sagde. "Det er ikke en underdrivelse at sige, at udnyttelse af lac operon er en af ​​de vigtigste resultater, der muliggjorde eksplosionen i bioteknologi."

Når videnskabsmænd ingeniør E coli at producere et protein eller kemikalie gennem lac-operonen, de gør typisk den funktion inducerbar snarere end noget, der opstår hele tiden. Denne måde, bakteriekulturen kan vokse normalt, indtil forskerne er klar til at tage den i brug. Som regel, forskere er afhængige af at tilføje et kemikalie for at udløse ekspressionen af ​​den pågældende genmanipulerede egenskab. Men denne metode har nogle alvorlige begrænsninger. "Hvis du tilføjer et kemikalie, det er det, du har forpligtet dig, "Avalos sagde. "Det er gjort, og du kan ikke nemt fjerne kemikaliet, så du skal bare vente og se, om du har tilføjet den rigtige dosis."

I stedet for at stole på en kemisk inducer, Avalos og hans kollegers nykonstruerede bakterier bruger fraværet af lys til at fremkalde reaktioner, der fører til kemisk eller proteinproduktion. Dette giver forskere mulighed for at bremse eller stoppe reaktionen ved blot at tænde lyset. Lys giver dem også mulighed for at kontrollere, hvor reaktionen finder sted. I en demonstration, Avalos og hans kolleger formørkede kun visse dele af deres bakterielle petriskål med en stencil af en tiger, skabe et fluorescerende tigerprint gennem de selektivt aktiverede bakteriers reaktion. "Igen, det er noget, du ikke nemt kan gøre med et kemikalie, fordi du ikke ville være i stand til at kontrollere diffusionen af ​​kemikaliet så let, " sagde Avalos. Lys, i modsætning til kemikalier, er også forholdsvis billig, tilføjer han, så brugen af ​​det vil reducere omkostningerne og sandsynligvis processens CO2-fodaftryk.

OptoLac, Avalos og hans kollegers nye optogenetiske – eller lysbaserede – metode, giver nu videnskabsmænd mulighed for at udnytte styrken af ​​allerede eksisterende lac operon-teknologier med øget præcision og kontrol.

"Arbejdet var veludført og føjer et nyt værktøj til værktøjskassen af ​​optogenetiske genekspressionsaktivatorer i E coli , " sagde Mustafa Khammash, professor i kontrolteori og systembiologi ved ETH Zürich, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Optogenetisk genekspression giver mulighed for at bruge lys i stedet for små molekyler til at kontrollere en lang række biologiske processer med minimal indsats, og forfatterne illustrerer dette overbevisende ved at demonstrere brugen af ​​OptoLAC til at opnå imponerende forbedringer i kemisk og proteinproduktion i E coli ."

E coli bruges i øjeblikket til industriel produktion af en bred vifte af råvare- og specialkemikalier, fra byggesten af ​​plast og syntetiske fibre, til high-end kemikalier som pigmenter og dufte. E coli bruges også ofte af videnskabsmænd til bedre at forstå grundlæggende principper for stofskifte, biosyntetiske veje og videre. Derfor, denne teknologi kan have vigtige konsekvenser ikke kun inden for bioteknologi, men også i grundforskning, sagde Avalos.

Avalos planlægger at udforske yderligere applikationer aktiveret af OptoLAC, herunder finjustering af komplekse metaboliske veje, forbedring af produktionen af ​​proteiner, der er svære at lave, og styring af andre interessante bakteriefunktioner. "I en vis forstand, en stor del af vores motivation var at bryde den måde, tingene gøres på nu, " sagde Avalos. "Et spørgsmål, vi bliver ved med at stille os selv, er, 'Hvordan kan vi gøre det bedre?'