MIT-onderzoekers hebben bacteriën ontwikkeld met "multicolor vision" - E. coli die rood herkennen, groente, of blauw (RGB) licht en, als reactie op elke kleur, verschillende genen tot expressie brengen die verschillende biologische functies vervullen.

Om de technologie te laten zien, de onderzoekers produceerden verschillende gekleurde afbeeldingen op kweekplaten - waarvan er één "MIT" beschrijft - door RGB-lampen te gebruiken om het door de bacteriën geproduceerde pigment te beheersen. Buiten het laboratorium, de technologie kan ook nuttig zijn voor commerciële, farmaceutisch, en andere toepassingen.

De E. coli is geprogrammeerd met een op eiwitten en enzymen gebaseerd systeem, analoog aan een computerchip, met verschillende modules om de lichtinput te verwerken en een biologische output te produceren. In computertermen, een "sensorarray" wordt eerst geactiveerd in de aanwezigheid van ofwel rood, groente, of blauw licht, en een "circuit" verwerkt het signaal. Vervolgens, een "resource allocator" verbindt de verwerkte informatie met "actuators" die de overeenkomstige biologische functie uitvoeren.

Zie de nieuwe E. coli als microbiële marionetten, met gekleurd licht in plaats van poppenkoorden waardoor de bacteriën op een bepaalde manier werken, zegt MIT-hoogleraar biologische engineering Chris Voigt, co-auteur van een paper in Nature waarin de technologie wordt beschreven. "Door verschillende kleuren te gebruiken, we kunnen verschillende genen controleren die tot expressie worden gebracht, " hij zegt.

De co-auteurs van het artikel zijn voormalig postdocs Jesus Fernandez-Rodriguez, Felix Moser, en Miryoung Song.

Synthetisch-biologische innovatie komt samen

In 2005, Voigt, die mede-directeur is van het Synthetic Biology Center aan het MIT, en andere onderzoekers pionierden met een "bacteriële camera" door een lichtsensor te programmeren in een stam van E. coli, samen met een gen dat zwart pigment produceerde. Toen licht door een sjabloon op een met bacteriën beklede plaat scheen, de microben vormden zwart-witbeelden. Destijds, deze prestatie vereiste slechts vier genen en drie promotors - DNA-gebieden die gentranscriptie initiëren - om de klus te klaren.

Nieuwe synthetische biologie tools, zoals het genoombewerkingssysteem CRISPR, zijn sindsdien opgedoken, het openen van bredere mogelijkheden voor onderzoekers. In tegenstelling tot het systeem van 2005, het nieuwe RGB-systeem - het eerste dat drie kleuren gebruikte - bestaat uit 18 genen en 14 promotors, onder andere onderdelen, evenals 46, 000 basenparen DNA.

Maar met grotere complexiteit komen grotere uitdagingen. Omdat de onderzoekers te maken hadden met een sensorarray die drie afzonderlijke kleuren kon detecteren, bijvoorbeeld, ze moesten in het microbiële programma een eiwit opnemen dat gentranscriptie van de twee ongebruikte sensoren verhindert.

In computertermen, dit heet een "NIET poort, " een circuit dat een uitgangssignaal produceert - in dit geval genrepressie - alleen als er geen signaal op de ingang is. Met bacteriën onder een rood licht, bijvoorbeeld, de NIET-poort zou dat gen-onderdrukkende eiwit op de groene en blauwe sensoren ontketenen, ze uitschakelen.

Ongeveer vijf jaar geleden, Voigt leidde een team dat microben ontwikkelde om te reageren op rood en groen licht. Het toevoegen van een derde sensor was een grote uitdaging van het nieuwe onderzoek. "In de cel, alle nieuwe eiwitsensoren die je toevoegt, interfereren met elkaar, omdat het allemaal moleculen zijn die rond de cel botsen, en ze moeten allemaal de cel levend en gelukkig houden. Met elke extra sensor die u toevoegt, dat wordt exponentieel moeilijker, " hij zegt.

In dat opzicht, Voigt voegt toe, de resourcetoewijzer van het systeem, een nieuwe functie, fungeert ook als een stroomonderbreker, het uitschakelen van de sensoren als ze alle drie tegelijk inschakelen, overbelasting van de cel.

Vanuit het perspectief van genetische manipulatie, de configuratie met vier subsystemen was "de grootste impact van dit werk, " zegt Voigt. Elk subsysteem - de sensorarray, circuits, hulpbronactuatoren, en actuatoren - is ontworpen, gebouwd, en afzonderlijk geoptimaliseerd voordat ze tot een definitieve structuur worden geassembleerd. Dit vereenvoudigde, modulair proces zou de weg kunnen banen voor meer complexe biologische programmering in de toekomst, volgens de onderzoekers.

In het algemeen, Voigt ziet het nieuwe systeem als een bekroning van een decennium van innovaties op het gebied van synthetische biologie. "Het is een weergave van waar we momenteel zijn, en alle stukjes die de afgelopen tien jaar bij elkaar moesten komen om systemen van deze omvang en complexiteit te creëren, " hij zegt.

"discobacteriën" maken

Om de nieuwe kleurenafbeeldingen te maken, de onderzoekers programmeerden bacteriën om hetzelfde pigment te produceren als het rood, groente, of blauw licht scheen op hen. In een couveuse, de onderzoekers bedekten een petrischaal met bacteriën die genetisch identiek zijn. "Je kunt het zien als onontwikkelde film, waar je de petrischaal met bacteriën hebt, "Voigt zegt, "en de camera is de broedmachine."

Aan de bovenkant van de broedmachine zit een gat, waarbij een gestencilde afbeelding op de plaat wordt geprojecteerd. Overuren, de bacteriën groeien, een enzym produceren dat een pigment produceert dat overeenkomt met de RBG-kleur waarmee ze worden verlicht. Naast het MIT-logo, de onderzoekers maakten afbeeldingen van verschillende patronen, veelkleurige vruchten, en het videogamekarakter Super Mario.

De gemanipuleerde bacteriën kunnen ook worden gebruikt om de chemische reacties van microben in industriële fermentatieprocessen snel te starten en te stoppen, die worden gebruikt om geneesmiddelen en andere producten te maken. Vandaag, het beheersen van dergelijke chemische reacties vereist het dumpen van verschillende chemische additieven in grote fermentatievaten, wat tijdrovend en inefficiënt is.

In hun krant de onderzoekers demonstreerden dit 'chemicaliën on-demand'-concept op kleine schaal. Met behulp van CRISPR-tools voor het bewerken van genen, ze hebben drie genen aangepast die acetaat produceren - een soms ongewenst bijproduct van verschillende bioprocessen - om minder van de chemische stof te produceren als reactie op RGB-verlichting.

"Individueel, en in combinatie met elkaar, de verschillende kleuren licht verminderen de productie van acetaat zonder de accumulatie van biomassa op te offeren, ’ schreven de onderzoekers in hun paper.

Voigt heeft een grappige naam bedacht voor deze industriële microben. "Ik noem ze 'discobacteriën', '" hij zegt, "omdat verschillende gekleurde lampjes in de vergister knipperen en de cellen aansturen."

Een toekomstige toepassing, Voigt voegt toe, zou kunnen zijn in het controleren van cellen om verschillende materialen en structuren te vormen. onderzoekers, waaronder enkele aan het MIT, zijn begonnen met het programmeren van cellen om te assembleren tot levende materialen die op een dag kunnen worden gebruikt om zonnecellen te ontwerpen, zelfherstellende materialen, of diagnostische sensoren.

"Het is verbazingwekkend als je naar de wereld kijkt en alle verschillende materialen ziet, ' zegt Voigt. 'Dingen als cellulose, zijde eiwitten, metalen, nanodraden, en levende materialen zoals organen - al deze verschillende dingen in de natuur die we krijgen van cellen die in verschillende patronen groeien. Je kunt je voorstellen dat je verschillende kleuren licht gebruikt om de cellen te vertellen hoe ze moeten groeien als onderdeel van het bouwen van dat materiaal."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.