Forskare vid Princeton University uppfann en metod för att använda ljus för att slå på och av en mekanism i E. coli -bakterier som är nyckeln till att få bakterierna att producera värdefulla kemikalier. Här är det genetiska verktyg de uppfann, kallas OptoLac, demonstrerades genom att projicera ljus i en tigers mönster på en petriskål, vilket gjorde att endast de bakterier som exponerades för ljuset producerade ett grönt fluorescerande protein. Upphovsman:Avalos Lab/Princeton University
Forskare vid Princeton University har skapat ett nytt och förbättrat sätt att mer exakt kontrollera genetiskt manipulerade bakterier:genom att helt enkelt slå på och av lamporna. Arbetar i E coli , arbetshästorganismen för forskare att konstruera ämnesomsättningen, forskare utvecklade ett system för att kontrollera en av de viktigaste genetiska kretsarna som behövs för att förvandla bakterier till kemiska fabriker som producerar värdefulla föreningar som biobränslet isobutanol.
"Allt du behöver är belysning, "sa José Avalos, en biträdande professor i kemisk och biologisk teknik vid Princeton University och vid Andlinger Center for Energy and the Environment ", och senior författare till resultaten, publicerad i Natur kemisk biologi . "Det finns många potentiella fördelar, en av dem är förmågan att enkelt ställa in och vända induktionssignalen. "
Det nya arbetet bygger på Avalos och hans kollegors tidigare arbete, beskrivs i Natur år 2018, där de tillverkade jäst för att producera kemikalier i närvaro eller frånvaro av ljus. E coli , dock, används ännu mer av forskare och ingenjörer än jäst.
Avalos och hans kollegor är inte de första att skapa E coli vars genuttryck styrs av ljus. Men de är de första som använder ljus för att kontrollera produktionen av kemikalier. De är också de första som använder ljus för att styra lac operon, en grupp gener som oftast används för kemisk induktion i E coli . "Lac operon är guldstandardkretsen som människor har använt i decennier, "Avalos sa." Det är inte en underdrift att säga att utnyttja lac operon är en av de viktigaste prestationerna som möjliggjorde explosionen inom bioteknik. "
När forskare konstruerar E coli att producera ett protein eller en kemikalie genom lac operon, de gör vanligtvis den funktionen inducerbar snarare än något som händer hela tiden. Den här vägen, bakteriekulturen kan växa normalt tills forskare är redo att ta den i bruk. Vanligtvis, forskare förlitar sig på att lägga till en kemikalie för att utlösa uttrycket för den genetiskt modifierade egenskapen i fråga. Men denna metod har vissa allvarliga begränsningar. "Om du lägger till en kemikalie, det är allt, du har begått, "Avalos sa." Det är gjort och du kan inte enkelt ta bort kemikalien, så det är bara att vänta och se om du har lagt till rätt dos. "
Istället för att förlita sig på en kemisk inducerare, Avalos och hans kollegors nyutvecklade bakterier använder frånvaro av ljus för att framkalla reaktioner som leder till kemisk eller proteinproduktion. Detta gör att forskare kan sakta ner eller stoppa reaktionen genom att helt enkelt slå på ljuset. Ljus tillåter dem också att kontrollera var reaktionen sker. I en demonstration, Avalos och hans kollegor mörkade bara vissa delar av deras bakteriella petriskål med en stencil av en tiger, skapa ett fluorescerande tigertryck genom de selektivt aktiverade bakteriernas reaktion. "På nytt, det är något du inte lätt kunde göra med en kemikalie, eftersom du inte skulle kunna styra spridningen av kemikalien lika enkelt, Sa Avalos. Lätt, till skillnad från kemikalier, är också relativt billigt, han lägger till, så att använda det kommer att minska kostnaderna och förmodligen koldioxidavtrycket från processer.
OptoLac, Avalos och hans kollegors nya optogenetiska-eller ljusbaserade-metod, ger nu forskare möjligheten att utnyttja styrkan i redan existerande lac operon -teknik med extra precision och kontroll.
"Arbetet var väl utfört och lägger till ett nytt verktyg i verktygslådan för optogenetiska genuttrycksaktivatorer i E coli , "sa Mustafa Khammash, professor i kontrollteori och systembiologi vid ETH Zürich, som inte var inblandad i forskningen. "Optogenetiskt genuttryck ger möjlighet att använda ljus istället för små molekyler för att styra en mängd olika biologiska processer med minimal ansträngning, och författarna illustrerar detta övertygande genom att demonstrera användningen av OptoLAC för att uppnå imponerande förbättringar av kemisk och proteinproduktion i E coli . "
E coli används för närvarande för industriell produktion av ett brett utbud av råvaror och specialkemikalier, från byggstenar av plast och syntetfibrer, till avancerade kemikalier som pigment och dofter. E coli används också ofta av forskare för att bättre förstå grundläggande principer för metabolism, biosyntetiska vägar och därefter. Därför, denna teknik kan ha viktiga konsekvenser inte bara inom bioteknik, men också inom grundforskning, Sa Avalos.
Avalos planerar att utforska ytterligare applikationer aktiverade av OptoLAC, inklusive finjustering av komplexa metaboliska vägar, förbättra produktionen av proteiner som är svåra att tillverka och kontrollera andra intressanta bakteriefunktioner. "På sätt och vis, en stor del av vår motivation var att bryta formen för hur saker och ting görs nu, "Sa Avalos." En fråga som vi hela tiden ställer oss är:"Hur kan vi göra det här bättre?"
