6 Minutės
Aštuonkojai, kalmarai ir kiti jų cefalopodų giminaičiai garsėja gebėjimu akimirksniu keisti spalvą ir pranykti tyliai, tarsi magija. Už šių spalvų pokyčių slypi retas pigmentas, vadinamas ksantommatinu, kurio mastinėgama gavimas iki neseniai buvo beveik neįmanomas. UC San Diego tyrėjų vadovaujama komanda dabar inžineravo bakterijas, kad šios efektyviai gamintų ksantommatiną, atverdamos naujas galimybes gilinti žinias apie cefalopodų kamufliažą, taip pat kurti draugiškesnes cheminių medžiagų gamybos grandines.
How researchers persuaded microbes to make a cephalopod pigment
Ksantommatino gamyba laboratorijoje ilgą laiką buvo nepraktiška. Išskirti pigmentą iš gyvūnų yra neefektyvu, biocheminės arba cheminės sintezės priemonės dažnai duoda žemą išeigą ir yra brangios. Siekiant pašalinti šią kliūtį, mokslininkai pasuko į sparčiai besivystančią sinetinės biologijos sritį: programuoti mikrobus gaminti sudėtingas natūralias molekules.
Vietoje to, kad būtų paprasčiausiai įterpti pigmento sintezės genus ir laukti rezultatų, komanda sukūrė strategiją, kurią jie pavadino "growth-coupled biosynthesis" (augimu susieta biosintezė). Paprastai tariant, jie „permokė“ bakterijas taip, kad jų išlikimas priklausytų nuo ksantommatino gamybos. Inžineruotos ląstelės galėjo augti tik tuo atveju, kai buvo sintezuojami du junginiai vienu metu: pats pigmentas ir mravencinė rūgštis (formiatinė rūgštis), kuri tenkino metabolinius energijos poreikius.
Tricking bacteria into choosing pigment over thrift
Bakterijos yra labai ekonomiškos — jos nekruopščiuoja energijos nereikalingiems produktams. Tyrėjai pasinaudojo šia savybe, padarydami pigmento gamybą esmine ląstelės augimui. Kiekvieną kartą, kai bakterija sukurdavo vieną molekulę ksantommatino, kartu buvo pagaminama ir energinė kuro molekulė, būtina dalijimuisi. Tai sukūrė grįžtamojo ryšio kilpą, verčiančią ląsteles nuosekliai prioritetizuoti pigmento sintezę aukštesniam augimo pranašumui.
Pirmoji autorė Leah Bushin apibūdino šį metodą kaip „sukūrus sergančias“ ląsteles, kurios gali atsigauti tik tęsdamos pigmento gamybą. Vyresnysis autorius Bradley Moore pabrėžė, kad tai pirmas kartas, kai ksantommatinas pagamintas bakterijoje industriniu mastu reikšmingomis išeigomis — rodiklis, svarbus tiek moksliniams tyrimams, tiek potencialiai komercinei gamybai. Tokia augimu susieta biosintezė derina genų inžineriją, metabolinį perskirstymą ir selekcinius spaudimus, kad būtų priverstos evoliucinės trajektorijos neretai priartėti prie norimo tikslo.
Bakterijos, gaminančios ksantommatiną Petri lėkštelėje laboratorijoje
What the team achieved — and why it matters
Inžineruotos padermės pasiekė pigmento gamybos lygius iki maždaug 3 gramų pigmento vienam litrui auginimo terpės — tai maždaug 1 000 kartų daugiau nei ankstesnės metodikos, kurios dažniausiai duodavo tik kelis miligramus litre. Nors 3 g/L gali atrodyti kukliai, palyginti su masinėmis chemikalų išeigomis, sudėtingam natūraliam pigmentui, tokiam kaip ksantommatinas, tai ženklus proveržis, kuris iš esmės keičia prieinamumo ir tyrimų galimybes.
Be grubios statistikos, šis tyrimas sujungė kelis modernius įrankius: adaptyviąją laboratorinę evoliuciją (adaptive laboratory evolution), leidusią mikroorganizmams patiems optimizuotis esant atrankinėms sąlygoms, ir bioinformatiką, kuri padėjo sutrumpinti biosintezės kelius bei atrinkti efektyviausius fermentus. Kartu šie žingsniai sumažino poreikį sudėtingiems papildomiems maitinimo medžiagų mišiniams ir rankiniams sintezės kelių pataisymams, leidžiant pigmentui gamintis iš paprasto žaliavos šaltinio, pavyzdžiui, gliukozės.
Kodėl verta siekti cefalopodų pigmento? Biologams lengviau pasiekiamas ksantommatinas pagreitins eksperimentus, tyrinėjančius, kaip cefalopodai kontroliuoja spalvą ląsteliniu ir molekuliniu lygiu, kaip pigmentai veikia kartu su struktūriniais spalvos elementais (pvz., iridoforais, leucoforais), bei kaip nervų ir chromatoforų sistemos integruoja spalvų pokyčius. Inžinieriams ir medžiagų mokslininkams tai suteikia natūralų dažų šaltinį su specifinėmis optinėmis savybėmis: potencialu kurti adaptuojamą kamufliažą, jautrias dangas, reaguojančias konstrukcijas ar naujos kartos fotoninius komponentus. Plačiau žvelgiant, tai yra koncepcijos įrodymas: augimu susieta biosintezė gali būti pritaikyta gaminti kitus vertingus arba sunkiai gaunamus junginius, taip prisidedant prie tvaresnės chemijos gamybos mažinant atliekų kiekį ir anglies pėdsaką.
- Mokslinis pagrindas: Ksantommatinas yra ommochromų klasės pigmentas, dalyvaujantis šviesos sugėrime ir spalvos moduliacijoje daugelyje cefalopodų.
- Metodo išskirtinumas: Padarius pigmento gamybą esminiu augimui, mikroorganizmai priverčiami skirti resursus tikslinei molekulei.
- Galimas poveikis: Nuo kamufliažo biologinių tyrimų iki biomimetinių medžiagų ir tvarių biosintezės grandinių pramonėje.
Expert Insight
Dr. Maya Chen, sinetinės biologijos specialistė, nepriklausoma tyrimui, pažymėjo: „Šis darbas elegantiškai sujungia evoliucinį atranką su racionalia inžinerija. Susiejant norimą produktą su ląstelių tinkamumu, tyrėjai išvengia dalies bandymų ir klaidų, kurie dažnai lėtina padermių kūrimą. Tai galinga idėja tvariai biogamybai — tačiau laboratorinio lygio rezultatų perkėlimas į pramoninius reaktorius reikalaus papildomo optimizavimo, procesų inžinerijos ir kruopštaus dizaino.“
Komanda taip pat aptarė praktinius aspektus: gamybos mastinimas apims fermentacijos inžineriją, tolesnę valymą (downstream purification) ir reguliavimo peržiūras, jei pigmentai būtų skirti vartotojams. Esama bio-saugumo ir biosaugumo (biosafety) rėmų, kurių reikia laikytis, tačiau nuo genų redagavimo iki reikšmingų pigmento kiekių demonstravimo kelias jau parodytas ir gali būti toliau vystomas.
Wider implications and next steps
Šį rezultatą verta vertinti ne tik kaip pigmento fabriką. Tai metodas, leidžiantis „įkalbėti“ mikrobus gaminti retus, struktūriškai sudėtingus natūralius produktus daug didesniu efektyvumu nei anksčiau. Jei ta pati augimu susieta logika bus pritaikyta ir kitiems biosintezės keliams, gamintojai galės sukurti vaistus, specialiuosius dažus arba biomedžiagas, sumažinant atliekų kiekį ir anglies pėdsaką per visą tiekimo grandinę.
Cefalopodų tyrimams patikimas prieinamumas ksantommatinui pašalina vieną didžiausių eksperimentinių ribų. Mokslininkai dabar gali vykdyti kontroliuojamus odos optikos tyrimus, ištirti pigmentų sąveiką su struktūrinėmis spalvos sudedamosiomis dalimis, tokiomis kaip iridoforai ar chromatoforai, ir kurti prototipus medžiagų, imituojančių greitą spalvos pokytį. Tai taip pat pagerina galimybes elektro-optinių bandymų, spektroskopinių charakteristikų ir fotoninių savybių analizei, nes leidžia turėti pastovų, standartizuotą pigmento tiekimą eksperimentams ir prietaisų gamybai.
Tyrime panaudotos technikos — nuo genų konstrukcijų per metabolinį sutvarkymą iki selekcinio spaudimo ir adaptyvios evoliucijos — parodo, kaip derinant bioinformatiką, fermentų inžineriją ir procesų optimizavimą galima efektyviai pereiti nuo „mikro“ į „masto“ lygmenis. Tolimesni žingsniai apims fermentacijos proceso parametru optimizavimą reaktoriuose, skaidrių ir organinių nešiklių poreikio mažinimą, taip pat efektyvesnių valymo metodų kūrimą, siekiant sumažinti gamybos sąnaudas ir užtikrinti produkto grynumą.
Serendipija vis dar vaidina savo vaidmenį atradimuose: Bushin prisiminė, kaip kartą paliko kultūrą inkubatoriuje ir kitą rytą radusi ją gausiai prisidengusią pigmentu. „Tai buvo viena geriausių mano dienų laboratorijoje,“ — sakė ji, primindama, kad kūrybinga inžinerija ir kantrus eksperimentavimas toliau atskleidžia netikėtus būdus, kaip pasinaudoti biologija. Šis projekto etapas suteikia tvirtą pagrindą tolesniems bandymams ir pritaikymams, kurie gali paveikti tiek pagrindinius biologinius tyrimus, tiek pramoninę biotechnologijų kūrimo sritį.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą