Microben zoals bacteriën zijn niet bewust genoeg om herinneringen te vormen, maar een groep wetenschappers in Texas ontwikkelde een nieuwe manier om dit op genetisch niveau te doen.

Onderzoekers melden dat ze met succes microben hebben ontwikkeld om over hun omgeving te rapporteren en genetische "herinneringen" aan de gebeurtenis te vormen. Het is een hulpmiddel dat wetenschappers kan helpen de chemische cyclus op aarde beter te begrijpen en hoe microben informatie zoals antibioticaresistentie met elkaar delen, volgens de onderzoekers.

"We hopen dat dit de samenwerking tussen synthetische biologen en microbiologen zal bevorderen, " zei Emily Fulk, een afgestudeerde student aan de Rice University in Texas en die haar voorbereidende werk presenteerde op de American Geophysical Union Fall Meeting 2017 in New Orleans. "Ik ben gewoon heel enthousiast om dit daadwerkelijk toe te passen."

Fulk werkt met bodembacteriën, microben die een belangrijke rol spelen bij het afbreken van dode organismen en het "vastzetten" van stikstof uit de atmosfeer in vormen die planten en dieren kunnen gebruiken. Veel vragen blijven onbeantwoord over deze bacteriën, inclusief hoe ze reageren op omgevingscondities zoals droogte of overmatige kunstmest. Het beantwoorden van die vragen vereist lange perioden en constante monitoring die onpraktisch zijn met de huidige methoden, dus wendde Fulco zich tot synthetische biologie.

Biologen hebben eerder genen gemodificeerd in het plasmide van een microbe, zijn circulaire chromosoom van DNA, door een specifiek gen in te voegen dat wordt geactiveerd in aanwezigheid van een chemische stof die van belang is. Op deze manier, de microbe produceert een signaal als reactie op een omgevingsstimulus.

Onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het detecteren van milieunitraten, moleculen gevonden in meststoffen, bijvoorbeeld, zou een nitraatgevoelig gen in het plasmide van de microbe kunnen invoegen. Vervolgens, wanneer de microbe nitraten in zijn omgeving waarneemt, het activeert het gen om een ​​signaal of "rapport" aan de wetenschappers te produceren.

"Je kunt het zien als een lichtschakelaar en een gloeilamp, waar de sensor is als de lichtschakelaar en de gloeilamp signaleert, ' zei Fulco. 'Je kunt naar de gloeilamp kijken, of signaal geproduceerd, en zeg, 'OKE, als we zien dat het 'licht aan is, we weten dat de schakelaar is geactiveerd.'"

traditioneel, de analogie met licht was letterlijk:microben werden ontworpen om te gloeien of te fluoresceren wanneer ze een specifieke chemische stof detecteerden. Maar in de bodem het zien van fluorescentie blijkt een uitdaging. In plaats daarvan, Fulco en haar collega's ontwikkelden microben die rapporteren door een gas te produceren.

Dat liet nog een uitstekende uitdaging, Hoewel. Om een ​​signaal te produceren, microben moeten leven, en omdat de meeste microben slechts in de orde van enkele uren leven, hun rapport is van korte duur.

Fulk loste het probleem op door genetisch gemanipuleerde microben een stap verder te brengen. Ze ontwierp een microbe die niet alleen een gas kon produceren als reactie op een chemisch signaal, maar zich ook herinnerde dat hij het gassignaal had geproduceerd lang nadat de activerende chemische stof was verdwenen en de microbe stierf. Met andere woorden, ze ontwierp het om een ​​geheugen te hebben.

"Het geheugen gebruiken, we kunnen nu zeggen, 'Laten we onze microben een week incuberen, een maand, of een seizoen, ' en aan het einde ervan kijken naar de microben en zien wat ze hebben gezien over de hele periode in plaats van alleen op een specifiek tijdstip, ' zei Fulco.

In een slim ontwerp, Fulco voegde iets toe dat nog nooit eerder is gedaan:aparte "lichtschakelaar" -sensor en "gloeilamp" -reportergenen. In haar opstelling het reportergen moet worden gemodificeerd voordat het zijn gassignaal kan produceren. Het lichtschakelaar-gen, geactiveerd wanneer de microbe de suiker arabinose eet, codeert voor een enzym dat in staat is het reportergen te modificeren. Zodra het lichtschakelaar-gen is geactiveerd, het wijzigt en zet het reportergen aan, en de microbe produceert een gas.

De wijziging aan het reportergen kan niet ongedaan worden gemaakt, echter, de microbe houdt dus een genetisch 'geheugen' bij van de detectie. Wetenschappers kunnen later naar deze genetische verandering zoeken kort nadat de microbe aan de chemische stof werd blootgesteld of lang nadat de microbe stierf.

"Ik word hier elke dag door weggeblazen, " zei Fulk. "We zijn erg opgewonden dat we de moeren en bouten hebben uitgewerkt."

Het nieuwe onderzoek luidt wat Fulk verwacht een lange reeks toekomstige toepassingen zal zijn. Het plaatsen van detectoren die gevoelig zijn voor milieurelevante chemicaliën kan een antwoord geven op al lang bestaande vragen voor bodem- en microbiële ecologen. ze zei.

"Het idee is of we dit een plug-and-play Lego-achtig systeem kunnen maken, waar je je verslaggever kiest, jouw herinnering, ' je gewenste chemische stof om te voelen, en uw microbiële gastheer, dan kan het worden aangepast om eventuele vragen te beantwoorden, ' zei Fulco.

"Je kunt soms niet-detecteerbare materialen detecteren met deze microben, " zei Caroline Masiello, de hoofdonderzoeker van de onderzoeksgroep aan de Rice University. Onderzoekers zouden de methode kunnen gebruiken om slecht begrepen aspecten van de zwavelcyclus of bacteriële methaanproductie te bestuderen, ze zei. Maar hoe spannend ook, de directe toepassing in het milieu lijkt onwaarschijnlijk.

Voor nu, Fulk en haar collega's werken samen met milieu-ingenieurs om te bestuderen hoe antibioticaresistentie wordt overgedragen tussen microben in afvalwaterzuiveringscentra en in bodemomgevingen. Door een donormicrobe te bouwen met een lichtschakelaargen en een ontvangermicrobe met het gloeilampgen, ze konden bepalen wanneer de genen samenkomen om een ​​'geheugen' te produceren. En dat wetende, beurtelings, zal hen helpen microbe "spionnen" te identificeren die ze in de toekomst zouden kunnen gebruiken, zei Fulco.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan AGU Blogs (http://blogs.agu.org), een gemeenschap van blogs over aarde en ruimtewetenschap, georganiseerd door de American Geophysical Union. Lees hier het originele verhaal.