211service.com
Ingenjörsbakterier för att skörda ljus
Vanligt använda labbbakterier kallas E coli kan omvandlas till ljusskördande organismer i ett enda genetiskt steg, enligt ny forskning från MIT. Den genetiska förbättringen tillåter mikroorganismer som normalt får sin cellulära energi från sockerarter att byta till en diet av solljus. Dessa fynd kan i slutändan användas för att genmanipulera bakterier som mer effektivt kan producera biobränslen, läkemedel och andra kemikalier.
Bakterier upplysta: E. coli konstruerade för att uttrycka proteorhodopsin-proteinet visas ovan under fluorescerande ljus. När det aktiveras av rätt våglängd av ljus driver proteinet cellens flagellmotor, vilket gör att den kan röra sig. I det här fallet absorberar proteinet grönt ljus: när grönt ljus lyser på bakterien rör sig den (nedre raden). När rött ljus lyser förblir det stillastående (översta raden).
Vissa bakterier, som cyanobakterier, använder fotosyntes för att göra sockerarter, precis som växter gör. Men andra har en nyupptäckt förmåga att skörda ljus genom en annan mekanism: genom att använda ljusaktiverade proteiner som kallas proteorhodopsiner, som liknar proteiner som finns i våra näthinnor. När proteinet är bundet till en ljuskänslig molekyl som kallas retinal och träffas med ljus, pumpar det positivt laddade protoner över cellmembranet. Det skapar en elektrisk gradient som fungerar som en energikälla, ungefär som spänningen eller den elektromotoriska kraften som tillförs av batterier.
Första upptäckten i marina organismer år 2000, fann forskare nyligen att generna för proteorhodopsin-systemet - i huvudsak en genetisk modul som inkluderar generna som kodar för både proteinet och enzymerna som krävs för att producera retinal - ofta byts ut mellan olika mikroorganismer i havet . (Medan vi vanligtvis tänker på gener som överförs från förälder till avkomma, kan mikroorganismer utbyta bitar av DNA i sidled.)
Intresserad av utsikten att en enda bit av DNA verkligen är allt en organism behöver för att skörda energi från ljus, infogade forskarna det i E coli . De fann att mikroorganismerna syntetiserade alla nödvändiga komponenter och satte ihop dem i cellmembranet, med hjälp av systemet för att generera energi. Allt som krävs för att få energi från solljus är den där biten av DNA, säger Ed Delong , professor i biologisk teknik vid MIT och författare till studien. Resultaten publicerades förra veckan i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Multimedia
Se en video av en upplyst bakterie.
Fynden har implikationer för både marin ekologi och för syntetisk biologi, ett framväxande område som syftar till att designa och bygga nya livsformer som kan utföra användbara funktioner. Jätte genomiska studier av havet har funnit att rhodopsinsystemet är förvånansvärt utbrett. Det faktum att en enda genöverföring kan resultera i en helt ny funktionalitet hjälper till att förklara hur denna genetiska modul reste så brett. Faktum är att för mikrober kan den här typen av modulbyte vara regel snarare än undantag. Ett nytt paradigm håller på att växa fram inom mikrobiologin: [mikroorganismer] är mycket mer flytande än vi trodde, säger Ford Doolittle , Kanada forskarstol i jämförande genomik vid DalhousieUniversity, i Nova Scotia.
Dessa fynd och annan forskning om proteorhodopsiner kan ge biologiska ingenjörer ett nytt verktyg att mixtra med. En tidning publicerad förra månaden av Jan Liphardt och kollegor vid University of California, Berkeley, visade det E coli konstruerad för att ha en proteorhodopsinpump kan enkelt växla mellan energikällor: när bakterier svälter sin vanliga energitillförsel använder de ljusenergi för att driva sin flagellmotor, en roterande svans som bakterier använder för att simma. Ju mer ljus det är, desto snabbare går motorn.
Rhodopsinpumpar kan så småningom konstrueras till de mikrober som vanligtvis används för att producera droger och andra kemikalier. Dessa bakteriefabriker har ibland ont om energi. Genom att använda dessa ljusdrivna protonpumpar kan bakterier aktiveras av ljus för att öka sina utbyten av metaboliter eller farmakologiskt aktiva substanser, säger John L. Spudich , professor i mikrobiologi och molekylär genetik vid University of Texas Medical School, i Houston. En cellulär energiökning kan vara särskilt praktisk med den senaste trenden inom bakterieproduktion: konstruktion av mikrober för att producera biobränslen.
Det är ungefär som att skapa en hybridbil, säger MIT Delong . Istället för att komplettera gasen med energi lagrad i ett batteri kan celler komplettera sin energiomsättning med ljus.