Atrazin, een controversieel herbicide dat in de jaren vijftig in de landbouw werd geïntroduceerd, is verboden in de Europese Unie, maar wordt veel gebruikt in de Verenigde Staten en Australië. In de decennia dat atrazine zich ophoopt in de landbouw, sommige bacteriën in die bodems hebben het vermogen ontwikkeld om te profiteren van deze stikstofrijke verbinding, het metaboliseren en gebruiken om te groeien.

Onderzoekers van de Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization van Australië, of CSIRO, zijn geïnteresseerd in het benutten van het bacteriële vermogen om atrazine af te breken om met atrazine vervuilde omgevingen te saneren. In een nieuw onderzoeksartikel gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische chemie , een team van CSIRO en de Australian National University beschrijft voorheen onbekende eiwitten die betrokken zijn bij de afbraak van atrazine - en de inzichten die deze ons kunnen geven in hoe bacteriën nieuwe vermogens ontwikkelen als reactie op chemicaliën die door mensen zijn gesynthetiseerd. exploiteren van nieuwe voedingsbronnen, en ze doen dit door bestaande cellulaire machines aan te passen voor nieuwe functies, " zei Colin Scott, de leider van het team Biokatalyse en Synthetische Biologie bij CSIRO, die toezicht hield op het werk.

Van atrazine een bruikbare stikstofbron maken is een meerstappenproces voor bacteriën, waarbij meerdere enzymen betrokken zijn. Elk van deze enzymen had voorheen verschillende functies in bacteriële cellen in de wereld vóór wijdverbreide atrazine-vervuiling. In atrazin-afbrekende bacteriën, de genen die coderen voor deze enzymen zijn gegroepeerd op een stukje DNA dat een plasmide wordt genoemd, die gemakkelijk kunnen worden overgedragen tussen bacteriën, door ze een kant-en-klare nieuwe aanpassing te geven.

"Binnen 10 jaar na de oorspronkelijke ontdekking (in de jaren 1990), genen van deze route werden gevonden (in bacteriën) op vrijwel elk continent behalve Antarctica, " zei Scott. Met andere woorden, aangezien het gebruik van atrazine zich over de hele wereld verspreidde, dat gold ook voor het bacteriële vermogen om het te metaboliseren.

Terwijl de enzymen die betrokken zijn bij verschillende van deze stappen grondig zijn beschreven, de structuur van een van hen, genaamd Azte, was nog onbekend. AztE is cruciaal voor het omzetten van een cyanuurzuur - een tussenstap in het afbraakproces van atrazine - in ammoniak.

Lygie Esquirol, een doctoraat student in Scotts lab, leidde de inspanning om dit eiwit te zuiveren. Toen het team het eiwit onderzocht, het vond iets verrassends:een ander, heel klein eiwit, waarvan het bestaan ​​niet was voorspeld op basis van de genoomsequentie van de bacterie, een complex vormen met AztE. Dit nieuwe eiwit, die het team AztG noemde, leek nodig om de structuur van AztE te stabiliseren.

Samen, de structuur van AztE en AztG leek op een ander bacterieel eiwitcomplex - het transamidasoom, wat helpt bij het maken van bacterieel transfer-RNA. Dus, het bleek dat eiwitten die betrokken zijn bij de basisfuncties van de bacteriecel opnieuw werden uitgerust voor de nieuwe atrazine-route.

"(Het transamidasoom) is absoluut essentieel voor bacteriën in de manier waarop ze hun tRNA's maken, Scott zei. "Het was enigszins verrassend dat ons eiwit, die betrokken is bij het katabolisme van pesticiden, was (vergelijkbaar met) dit eiwitcomplex dat wordt gebruikt in het centrale metabolisme."

De belofte van synthetische biologie is dat mensen op creatieve manieren genen kunnen combineren die coderen voor verschillende functies in een organisme. Echter, hoewel het relatief eenvoudig is om genen in een nieuwe context in te voegen, er is niet altijd een garantie dat een nieuw aangelegd pad zal werken zoals bedoeld. Het is daarom leerzaam om paden zoals de atrazine-afbraakroute te onderzoeken, waarin bacteriën met succes een reeks niet-verwante genen hebben hergebruikt om iets nieuws te doen.

"Dit (pad) is van andere plaatsen gekomen en in elkaar geflanst, maar er moeten enkele onderliggende regels en beperkingen zijn om dat te doen, Scott zei. "We weten op dit moment niet wat de ontwerpregels zijn voor complexe paden in termen van hun genetische architectuur. Wat we willen doen, is de cyanuurzuurroute als model gebruiken om een ​​aantal van die ontwerpprincipes te begrijpen."

Atrazine-afbrekende bacteriën zetten atrazine om in stikstofverbindingen die planten mogelijk als meststof kunnen gebruiken, maar dit brengt zijn eigen problemen met zich mee:de afvoer van stikstof in het water veroorzaakt algenbloei en het afsterven van dieren. Dus, een van de belangrijkste problemen die CSIRO-onderzoekers proberen op te lossen, is hoe de reactie kan worden beperkt, zodat deze alleen plaatsvindt waar en hoe mensen ze nodig hebben. Een benadering is om gerichte toepassing van enzymen te gebruiken die zijn gezuiverd uit deze bacteriën, in plaats van de bacteriën zelf.

"Als technologie we zijn het veld ingegaan en hebben bewezen dat (de enzymen) kunnen werken, Scott zei. "De volgende stap is samenwerken met de industrie om te proberen een aantal van deze oplossingen te implementeren."