Onderzoekers van Princeton University hebben een nieuwe en verbeterde manier ontwikkeld om genetisch gemanipuleerde bacteriën nauwkeuriger te controleren:door simpelweg de lichten aan en uit te zetten. Werken in E coli , het werkpaardorganisme voor wetenschappers om het metabolisme te ontwikkelen, onderzoekers ontwikkelden een systeem voor het regelen van een van de belangrijkste genetische circuits die nodig zijn om bacteriën om te zetten in chemische fabrieken die waardevolle verbindingen produceren, zoals de biobrandstof isobutanol.

"Alles wat je nodig hebt is verlichting, " zei José Avalos, een assistent-professor chemische en biologische technologie aan de Princeton University en aan het Andlinger Center for Energy and the Environment", en senior auteur van de bevindingen, gepubliceerd in Natuur Chemische Biologie . "Er zijn veel potentiële voordelen, een daarvan is de mogelijkheid om het inductiesignaal gemakkelijk af te stemmen en om te keren."

Het nieuwe werk bouwt voort op het eerdere werk van Avalos en zijn collega's, beschreven in Natuur in 2018, waarin ze gist ontwikkelden om chemicaliën te produceren in de aanwezigheid of afwezigheid van licht. E coli , echter, wordt zelfs meer gebruikt door wetenschappers en ingenieurs dan gist.

Avalos en zijn collega's zijn niet de eersten die creëren E coli waarvan de genexpressie wordt gecontroleerd door licht. Maar zij zijn de eersten die licht gebruiken om de productie van chemicaliën te beheersen. Ze zijn ook de eersten die licht gebruiken om het lac-operon te controleren, een groep genen die het meest wordt gebruikt voor chemische inductie in E coli . "Het lac-operon is het gouden standaardcircuit dat mensen al tientallen jaren gebruiken, "Zei Avalos. "Het is geen understatement om te zeggen dat het benutten van het lac-operon een van die belangrijkste prestaties is die de explosie in de biotechnologie mogelijk hebben gemaakt."

Wanneer wetenschappers engineeren E coli om een ​​eiwit of chemische stof te produceren via het lac-operon, ze maken die functie meestal induceerbaar in plaats van iets dat de hele tijd voorkomt. Op deze manier, de bacteriecultuur kan normaal groeien totdat wetenschappers klaar zijn om het in gebruik te nemen. Gebruikelijk, onderzoekers vertrouwen op het toevoegen van een chemische stof om de expressie van de genetisch gemanipuleerde eigenschap in kwestie te activeren. Maar deze methode heeft enkele ernstige beperkingen. "Als je een chemische stof toevoegt, dat is het, je hebt toegezegd, "Zei Avalos. "Het is klaar en je kunt de chemische stof niet gemakkelijk verwijderen, dus je moet gewoon afwachten of je de juiste dosis hebt toegevoegd."

In plaats van te vertrouwen op een chemische inductor, De nieuw ontwikkelde bacteriën van Avalos en zijn collega's gebruiken de afwezigheid van licht om reacties op te wekken die leiden tot chemische of eiwitproductie. Hierdoor kunnen onderzoekers de reactie vertragen of stoppen door simpelweg het licht aan te doen. Met licht kunnen ze ook bepalen waar de reactie plaatsvindt. In een demonstratie Avalos en zijn collega's verduisterden alleen bepaalde delen van hun bacteriële petrischaal met een stencil van een tijger, het creëren van een fluorescerende tijgerprint door de reactie van de selectief geactiveerde bacteriën. "Opnieuw, dat is iets wat je niet gemakkelijk zou kunnen doen met een chemische stof, omdat je de diffusie van de chemische stof niet zo gemakkelijk zou kunnen regelen, " zei Avalos. Licht, in tegenstelling tot chemicaliën, is ook relatief goedkoop, hij voegt toe, dus het gebruik ervan zal de kosten en waarschijnlijk de ecologische voetafdruk van processen verminderen.

OptoLac, De nieuwe optogenetische of op licht gebaseerde methode van Avalos en zijn collega's, geeft wetenschappers nu de mogelijkheid om de kracht van reeds bestaande lac-operontechnologieën te benutten met extra precisie en controle.

"Het werk was goed uitgevoerd en voegt een nieuw hulpmiddel toe aan de gereedschapskist van optogenetische genexpressieactivators in E coli , " zei Mustafa Khammash, hoogleraar regeltheorie en systeembiologie aan de ETH Zürich, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Optogenetische genexpressie biedt de mogelijkheid om licht in plaats van kleine moleculen te gebruiken om met minimale inspanning een grote verscheidenheid aan biologische processen te beheersen, en de auteurs illustreren dit overtuigend door het gebruik van OptoLAC te demonstreren om indrukwekkende verbeteringen in de chemische en eiwitproductie te bereiken in E coli ."

E coli wordt momenteel gebruikt voor de industriële productie van een breed scala aan basischemicaliën en speciale chemicaliën, van bouwstenen van kunststoffen en synthetische vezels, tot hoogwaardige chemicaliën zoals pigmenten en geuren. E coli wordt ook vaak door wetenschappers gebruikt om de basisprincipes van het metabolisme beter te begrijpen, biosynthetische paden en daarbuiten. Daarom, deze technologie kan belangrijke implicaties hebben, niet alleen in de biotechnologie, maar ook in fundamenteel onderzoek, zei Avalos.

Avalos is van plan om verdere toepassingen te onderzoeken die mogelijk zijn gemaakt door OptoLAC, inclusief het afstemmen van complexe metabole routes, het verbeteren van de productie van moeilijk te maken eiwitten en het beheersen van andere interessante bacteriële functies. "In zekere zin een groot deel van onze motivatie was om te breken met de manier waarop dingen nu worden gedaan, "Avalos zei. "Een vraag die we onszelf blijven stellen is, 'Hoe kunnen we dit beter doen?'"