211service.com
Inżynieria światów mikrobiologicznych
Utrata rodziny wzmogła zainteresowanie Cullena Buie bakteriami – i wykorzystanie ich na dobre. 25 kwietnia 2018
Cody O'Laughlin
Spośród niezliczonych gatunków bakterii na świecie (szacunki wahają się od milionów do miliardów, w zależności od tego, kogo zapytasz) naukowcy zidentyfikowali i skatalogowali tylko około 20 000. A wśród tych gatunków mniej niż 1 procent zostało poddanych majsterkowaniu, które może pomóc naukowcom w dynamicznie rozwijającej się dziedzinie inżynierii genetycznej dostosować je do niezliczonych ludzkich celów.
Jest tyle rzeczy, których nie wiemy, mówi Cullen Buie, niedawno mianowany profesor inżynierii mechanicznej Esther i Harold E. Edgerton Career Development Professor. Cała praca jest wykonywana na 1 proc. z 1 proc. Dosłownie drapiemy powierzchnię.
Ale potencjał jest ogromny: zmieniając kod genetyczny istniejących bakterii, naukowcy w niedalekiej przyszłości mogą być w stanie zbudować mikroorganizmy, które będą w stanie leczyć choroby, tworzyć nawozy na żądanie lub usuwać wycieki ropy.
Jest cała ta motywacja, aby spróbować okiełznać świat drobnoustrojów, a ludzie uświadamiają sobie: „Człowieku, ograniczają nas nasze narzędzia” – mówi. Dlatego Buie wykorzystuje swoją wiedzę z zakresu mikroprzepływów do tworzenia urządzeń, które, jak ma nadzieję, mogą naprawdę rzucić światło na wszelkiego rodzaju problemy, na które wcześniej nie mogli nawet spojrzeć. W MIT kieruje Laboratorium Innowacji Energii i Mikrosystemów (LEMI), które koncentruje się na badaniach elektrochemicznych, mikroprzepływowych i ogniw paliwowych, z których większość ma na celu znalezienie nowych sposobów manipulowania bakteriami. Jest także współzałożycielem startupu opracowującego narzędzie mikroprzepływowe, które może radykalnie przyspieszyć tempo inżynierii genetycznej.
Wow, to jest idealne
Buie początkowo nie zamierzał badać bakterii. Jako nastolatek zamierzał zająć się medycyną, podążając śladami swojej starszej siostry, Simone. Ale udział w obozie inżynierskim przed college'em doprowadził go do specjalizacji z inżynierii mechanicznej w stanie Ohio. Następnie, jako absolwent National Science Foundation na Stanford, zainteresował się energią odnawialną oraz mikro- i nanotechnologiami. Dołączył więc do laboratorium profesora inżynierii mechanicznej Juana Santiago, który właśnie otrzymał fundusze na projekt budowy pomp w nanoskali do samochodowych ogniw paliwowych. Pomyślałem: „Wow, to jest idealne. To alternatywna energia i mikroskale naraz” – mówi.
Za Santiago Buie skupił się na mikroprzepływowych pompach elektroosmotycznych, które wykorzystują pola elektryczne do regulacji ciśnienia i natężenia przepływu. W swojej pracy doktorskiej zbadał ich zastosowanie w niskotemperaturowych ogniwach paliwowych. Podczas stażu podoktorskiego na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley Buie zwrócił uwagę na mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, które są często używane w bioczujnikach i oczyszczalniach ścieków. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe zawierają bakterie przyczepione do elektrody. Po podaniu materii organicznej ze źródeł takich jak ścieki, bakterie rozkładają żywność, umożliwiając wykorzystanie elektronów do wytworzenia prądu elektrycznego.
Właściwości powierzchni decydują o tym, czy bakterie przepływające przez ściśnięty kanał mikroprzepływowy są unieruchomione przez określone pola elektryczne. Dzięki uprzejmości Cullen buie
W następnym roku praca nad bakteriami stała się osobista. W 2010 roku, krótko po tym, jak dołączył do wydziału MIT jako adiunkt inżynierii mechanicznej, odebrał telefon. Jego siostra Simone została tego dnia przyjęta do szpitala w Ohio z szalejącą gorączką, szybkim biciem serca i bólem. Zmarła kilka godzin później na sepsę, stan, który pojawia się, gdy organizm stara się zwalczać powszechne bakterie, takie jak: Staphylococcus aureus (stafka) i Paciorkowce wywołać stan zapalny prowadzący do niewydolności narządów.
Buie był zdruzgotany. Kiedy przepracował swój smutek, zaczął myśleć o śmierci swojej siostry z naukowej perspektywy. To było dla mnie trochę szokujące, że ludzie nadal umierali na infekcje bakteryjne, mówi. Pracowałem już nad mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi, więc kiedy to się stało, wzbudziło to moją ciekawość wokół bakterii i wszystkich różnych rzeczy, które mogą zrobić, zarówno dobrych, jak i złych.
W tym czasie LEMI dopiero zaczynało działać, a jego pierwsi studenci i doktoranci kierowali się różnymi ścieżkami badawczymi. Jeden projekt koncentrował się na nowych sposobach wytwarzania superhydrofilowych (pochłaniających wodę) i superhydrofobowych (odpychających wodę) powierzchni — technik, które mogą być przydatne w inżynierii morskiej — podczas gdy inny koncentrował się na zaprojektowaniu nowego typu akumulatora, który wykorzystuje dynamikę płynów do przechowywania swoich komponentów rozdzielać.
Jest tak wiele rzeczy, których nie wiemy. Cała praca jest wykonywana na 1 proc. z 1 proc. Dosłownie drapiemy powierzchnię.
Tymczasem inni badacze LEMI skupili się na opracowaniu narzędzi mikroprzepływowych, które wykorzystywałyby proces zwany dielektroforezą do sortowania bakterii zgodnie z właściwościami elektrycznymi ich komórek, w tym polaryzacją, czyli gromadzeniem się ładunku na ich powierzchni. W tym projekcie zespół Buie wykorzystał kanały mikroprzepływowe o szerokości około pięciu ludzkich włosów, z wąskimi punktami około jednej dziesiątej wielkości pośrodku. Zepchnęli komórki z Pseudomonas aeruginosa bakterie przez kanały i zastosowane pola elektryczne. W miarę zwiększania napięcia różne szczepy bakterii prześlizgiwały się przez kanał, podczas gdy inne zatrzymały się na wąskie gardło , gdzie pole elektryczne było najbardziej intensywne.
Dokładne miejsce zatrzymania komórki – i to, jak intensywne było w tym momencie pole elektryczne – pokazało naukowcom, jak spolaryzowana jest powierzchnia bakterii, dostarczając wskazówek na temat jej patogenności. Więcej patogennych szczepów Pseudomonas aeruginosa są bardziej podatne na polaryzację przy niższych napięciach, co skłoniło Buiego do przekonania, że badania można zastosować do diagnozowania stanów bakteryjnych, takich jak sepsa, w celu ratowania życia.
Jednak istniały już bardziej praktyczne metody określania, czy bakterie są patogenne. Teraz Buie koncentruje się na wykorzystaniu dielektroforezy do łączenia informacji genetycznej z fizycznymi właściwościami bakterii. Jeśli na przykład geny zostaną usunięte z mało zbadanego szczepu bakteryjnego, wszelkie wynikające z tego zmiany w polaryzacji mogą dostarczyć pewnych informacji na temat użyteczności tych genów lub obszaru komórki, na który mogą wpływać, mówi.
Z zewnątrz w
Do 2013 roku Buie skupił się na znalezieniu sposobu na radykalne przyspieszenie inżynierii genetycznej. Naukowcy od dawna umieszczali różne rodzaje DNA w komórkach, próbując skłonić je do, powiedzmy, walki z patogenami lub metabolizowania dwutlenku węgla w celu złagodzenia zmiany klimatu. Ale narzędzia do dostarczania obcego DNA nie rozwijały się tak szybko, jak strategie ujarzmienia zmanipulowanych komórek, dowiedział się po spotkaniu z przedstawicielem Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony podczas wykładu na temat biologii syntetycznej.
Cody O'Laughlin
Aby wprowadzić DNA do komórek, wielu naukowców polega na elektroporacji — metodzie wykorzystującej precyzyjnie dostrojone impulsy elektryczne do tymczasowego otwierania porów w błonach komórkowych. Ale proces ten wymaga od naukowców dokładnego poznania pola elektrycznego, które otworzy pory bez zabijania komórki. Znalezienie tego konkretnego pola i odpowiedniej pożywki dla każdego szczepu bakterii może zająć lata. A kiedy już to zrobisz, proces przygotowania, pipetowania i elektrycznego przełączania każdej próbki jest niezwykle powolny. Buie szacuje, że jeden wykwalifikowany badacz może przeprowadzić elektroporację tylko 20 do 50 próbek na godzinę, co znacznie ogranicza liczbę eksperymentów, jakie może przeprowadzić laboratorium.
Tak więc z pomocą grantu DARPA Buie rozpoczął prace nad szybszym sposobem elektroporacji ogniw – i ostatecznie zajął się również automatyzacją tego procesu. Jego zespół — w skład którego weszli doktoranci z LEMI Paulo Garcia i Jeffrey Moran, a także doktorant Zhifei Ge, doktorant w roku '16 — zastosował układ podobny do tego w poprzednich eksperymentach z dielektroforezą Buie, ale dodali do kanału mikroprzepływowego znacznik fluorescencyjny, który będzie świecił w obecności DNA. Kanały były wypełnione bakteriami, a wraz ze wzrostem pola elektrycznego wokół wąskiego gardła pory membrany otwierały się, wpuszczając znacznik. Po wejściu do środka zareagował z DNA bakterii i sprawił, że komórka zaświeciła, zapewniając widoczny wskaźnik pola elektrycznego potrzebnego do otwarcia porów określonego szczepu.
Gdy naukowcy to wiedzą, nadal stają przed żmudnym zadaniem ręcznego przełączania każdej komórki w celu wstawienia pożądanego DNA. Tak więc Buie, -Garcia i absolwent LEMI, Rameech -McCormack, SM '17, zaprojektowali również pipetę, która stosuje właściwe pole elektryczne, gdy komórki przepływają przez naładowane elektrycznie kanały mikroprzepływowe wbudowane w jej końcówkę. Poprzez swój start, zwany Kytopen, Buie i Garcia (który pełni funkcję dyrektora generalnego Kytopen) opracowują zautomatyzowany system wyposażony w 96 lub więcej jednocześnie pipet do elektroporacji, z których każda może pobierać jedną próbkę co osiem do 10 sekund. Dzięki umożliwieniu wprowadzania DNA do komórek bakteryjnych nawet 10 000 razy szybciej, urządzenie może umożliwić naukowcom szybkie przechodzenie przez miliony wariantów eksperymentu inżynierii genetycznej. (Kytopen jest jedną z pierwszych firm wspieranych przez The Engine, fundusz venture capital/akcelerator MIT dla początkujących startupów pracujących nad technologiami o dużym potencjale, ale długich terminach rozwoju. Zobacz Inwestowanie w technologie, które warto poczekać, marzec/kwiecień 2018 r.)
Następnym krokiem Buiego jest przetestowanie swojego urządzenia do elektroporacji na organizmach, których naukowcy nie są jeszcze w stanie zaprojektować genetycznie, a zaczyna od bakterii w jamie ustnej. Instytut Forsytha, biotechnologiczna organizacja non-profit, wyizolował setki odmian ludzkich bakterii jamy ustnej. Buie połączył siły z Christopherem Johnstonem z Forsyth, badaczem mikrobiologii, który opracowuje metody unikania systemów obrony komórek, które odrzucają obce DNA. Razem mają na celu udostępnienie co najmniej 200 szczepów bakterii do inżynierii genetycznej.
Jeśli uda im się znacznie zwiększyć liczbę organizmów, którymi naukowcy mogą manipulować, badania mogą pewnego dnia zostać wykorzystane do stworzenia bakterii do ważnych zastosowań w opiece zdrowotnej, energetyce, rolnictwie i naukach o środowisku.
Buie ma nadzieję, że jego praca umożliwi innym badaczom podjęcie trudniejszych pytań. Ludzie przestaną mówić „nie mogę pracować nad tym błędem”, ponieważ nie mogą uprawiać genetyki, mówi. Powiedzą: „Dlaczego tego nie spróbujemy?”