211service.com
Obserwowanie ewolucji bakterii w laboratorium
Korzystając z szybkich nowych technologii sekwencjonowania DNA, naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego śledzili zmiany ewolucyjne w E coli uprawiane w stresujących warunkach. Udało im się zidentyfikować, które geny uległy mutacji, kiedy i jaki był ich wpływ na wzrost bakterii. Naukowcy twierdzą, że technika, zwana ewolucją eksperymentalną, pomoże tym, którzy próbują nauczyć się, jak genetycznie modyfikować bakterie, aby wytwarzać wysokie stężenia etanolu i innych przydatnych chemikaliów (patrz: Fabryki bakterii).
Bakterie takie jak E coli ewoluują stosunkowo szybko: dzielą się szybko i niechlujnie, przekazując wypełnione błędami kopie swojej informacji genetycznej następnemu pokoleniu. Korzystając z nowej technologii mikromacierzy, Bernhard Palsson, profesor bioinżynierii, wraz z kolegami zbadał tę szybką ewolucję w bardzo krótkich skalach czasowych na wysokim poziomie szczegółowości.
Postęp może być szczególnie pomocny dla biologów syntetycznych, którzy przebudowują bakterie, aby nadać im nowe funkcje. To podejście da nam nowy wgląd w reakcję adaptacyjną [organizmów] na wkładane części syntetyczne, takie jak nowe geny lub sieci genów, mówi Jamesa Collinsa , profesor inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie w Bostonie. Naukowcy wprowadzają takie nowe części, aby lepiej kontrolować syntezę drobnoustrojów konkretnego związku użytecznego dla ludzi. (Na przykład naukowcy zmodyfikowali drożdże, które wytwarzają lek na malarię; zob. Tańsze leki na malarię).
W jednym zestawie eksperymentów Palsson i jego współpracownicy dostarczyli E coli tylko z glicerolem, którego drobnoustroje słabo metabolizują, do odżywiania. Komórki początkowo rosły powoli, ale po 20 dniach rosły o 150 procent szybciej, a po 44 dniach dobrze się rozwijały. Ci, którzy byli bardziej przystosowani do środowiska, przejęli kulturę, mówi Christopher Herring, który pracował nad badaniami jako stażysta w laboratorium Palssona. Nastąpiły dramatyczne zmiany w sposobie [dobrze] wzrostu komórek w krótkim czasie.
Ewolucja eksperymentalna może okazać się potężnym narzędziem dla naukowców zajmujących się inżynierią metaboliczną, mówi Herring. Genetyczne sieci metabolizmu są złożone i zawierają elementy, które naukowcom trudno byłoby przewidzieć. Herring mówi, że ewolucja eksperymentalna może pokazać powiązania między różnymi systemami fizjologicznymi, o których wcześniej nie wiedzieliśmy. Herring jest teraz naukowcem w Cambridge w stanie Massachusetts Mascoma , która ma nadzieję zaprojektować mikroorganizmy, które wydajnie przekształcają biomasę w etanol (patrz Redesigning Life to Make Ethanol ).
Collins twierdzi, że inżynieria metaboliczna jest często wykonywana w sposób irracjonalny. Kiedy naukowcy wprowadzają nowe części do bakterii lub drożdży, nie wiedzą, czy wprowadzono inne mutacje, nie mówiąc już o tym, jak mogą być zaangażowane inne szlaki. Porównawcze sekwencjonowanie genomu może dostarczyć tego rodzaju informacji, umożliwiając naukowcom lepsze przewidywanie skutków zmian genetycznie modyfikowanych i szybkie identyfikowanie, które zmiany prowadzą do korzystnych cech.
Grzegorz Stephanopoulos , inżynier chemik z MIT i lider w dziedzinie inżynierii metabolicznej, jest bardziej sceptyczny co do wpływu podejścia San Diego. Sekwencjonowanie genomów i analizowanie ich w celu znalezienia odpowiednich mutacji nie stanowi problemu, mówi. W eksperymencie wzrostu Palssona i Herringa było oczywiste, że E coli powiedział, że dobrze rosły, były warte ponownego sekwencjonowania w celu znalezienia odpowiednich mutacji. Ale podczas pracy nad złożonym problemem, takim jak poprawa wydajności produkcji etanolu przez drobnoustroje, w niektórych przypadkach można zidentyfikować lepsze szczepy, ale generalnie nie jest to proste.
Mimo to Stephanopoulos i inni twierdzą, że porównawcze sekwencjonowanie genomu może teraz pomóc naukowcom przypisać zmiany w cechach drobnoustrojów (takich jak zdolność rozwoju na glicerolu) do zmian w genotypie. W ten sposób technologia może pomóc mikrobiologom i firmom farmaceutycznym zbadać, w jaki sposób powstają szczepy bakterii opornych na antybiotyki, będące poważnym problemem zdrowotnym, i jakie mutacje są odpowiedzialne.