Microbiologie in hapklare porties
Groene bacteriën gebruiken voor een groenere wereld
Stel je voor: een zweetafvoerend shirt dat ventileert of isoleert, afhankelijk van wat je nodig hebt. Een pleister die ziekteverwekkende bacteriën in een wond detecteert en reageert door een antibioticum uit te scheiden. Een nieuw biologisch afbreekbaar plastic, gekweekt uit bacteriën, dat het stortlandschap zou kunnen veranderen.
Met het opkomende gebied van gemanipuleerde levende materialen (ELM’s) zijn deze ideeën al overgegaan van sciencefictionachtige fantasieën naar experimenteel vastgestelde realiteit: onderzoekers nemen een micro-organisme, passen het genetisch aan om te reageren op een stimulus en verankeren het in een biocompatibel materiaal, waardoor het materiaal zijn omgeving kan voelen en erop kan reageren. De reactie is hier de productie van een nuttig eiwit dat een gewenste functie uitvoert – programmering, met genetische code in plaats van computercode.
Responsieve, puur synthetische materialen zijn niet nieuw; ze worden echter beperkt door de stimuli en de eigenschappen van het materiaal. Levende organismen daarentegen zijn flexibel en kunnen op verschillende manieren reageren op vele stimuli. ELM’s verleggen de grenzen van wat biotechnologische materialen kunnen doen.
Een recent artikel in Nature Communications laat zien dat ELM’s kunnen helpen bij bioremediëring van het milieu door een materiaal te maken dat is ingebed in cyanobacteriën en dat een vervuilende stof afbreekt als reactie op een stimulus.
Waarom cyanobacteriën? Cyanobacteriën (Fig. 1) zijn eencellige fotosynthetische micro-organismen die algemeen worden toegeschreven aan de Grote Zuurstofgift, een toename van zuurstof in de atmosfeer 2,4 miljard jaar geleden die de evolutie van complex leven mogelijk maakte. Cyanobacteriën leven in aquatische milieus en zijn belangrijk voor het evenwicht van veel ecosystemen.
Terwijl sommige van de meer dan 2000 bekende cyanobacterie soorten giftige algenbloei veroorzaken, worden andere onderzocht als bronnen voor biobrandstof of natuurlijke pigmentproductie. De auteurs van dit onderzoek kozen cyanobacteriën voor hun ELM omdat a) ze gemakkelijk te kweken zijn tegen lage kosten; b) de benodigde koolstofbron, kooldioxide, vrij overvloedig aanwezig is; en c) er al veel genetische hulpmiddelen beschikbaar zijn voor cyanobacterieel onderzoek.
Doelstellingen van de studie:
Een stabiel 3D-printbaar materiaal ontwerpen dat het leven van cyanobacteriën kan ondersteunen.
Ontwikkelen van cyanobacteriestammen om gewenste eiwitten te produceren als reactie op een gekozen stimulus, bouwen van een ELM met deze stammen en aantonen dat het materiaal een gewenste taak kan uitvoeren.
Een ELM op basis van cyanobacteriën maken die de kleurstof indigokarmijn afbreekt en een controleerbare genetische ‘kill switch’ inbouwen om het potentieel aan te tonen voor het maken van een bioremediërende ELM die fragiele ecosystemen kan genezen zonder ze verder te verstoren.
Experimenten en resultaten:
Stap 1: Het juiste materiaal ontwerpen
Eerst selecteerden de onderzoekers een biocompatibel polymeer voor het maken van hun ELM-hydrogel. Hydrogels zijn polymeernetwerken die grote hoeveelheden water kunnen vasthouden zonder de structuur aan te tasten, waardoor ze ideaal zijn voor ELMs. Na experimenten kozen de auteurs voor alginaat, een polysacharide afkomstig van zeewier. Ze bepaalden de beste combinatie van extra componenten om een hydrogel te maken met de optimale mechanische eigenschappen: viscositeit laag genoeg om de naald van de 3D-printer niet te verstoppen, maar hoog genoeg zodat de ELM zijn vorm behield; poreus, zodat ingesloten cyanobacteriën zich konden verspreiden, en transparant, om licht binnen te laten voor fotosynthese.
Onderzoekers gebruikten ‘direct-ink-writing’, een veelzijdige vorm van 3D-printen, om hun ELM te bouwen, waarbij ze hun hydrogels bedrukten met lagen levende ‘bio-inkt’. Tests bepaalden de eigenschappen van hun ELM – van de vorm (Fig. 2) die de groei van cyanobacteriën het beste ondersteunde (een raster) tot de overleving van cyanobacteriën in de loop van de tijd en het fotosynthetisch vermogen van ELM.
Stap 2: Genetische manipulatie + eerste tests
Even wat achtergrondinformatie: het ‘centrale dogma’ van de biologie is dat elk organisme een genetische code heeft, DNA, dat moet worden getranscribeerd in het tussenliggende molecuul RNA, waarvan de ‘boodschap’ vervolgens wordt ‘gelezen’ en vertaald in eiwitten, die specifieke cellulaire functies uitvoeren. DNA is de “mastercode”, maar niet alle genen staan altijd “aan”; cellen kunnen ze “inschakelen”, wat leidt tot RNA-transcriptie en eiwitvertaling, in reactie op omgevingssignalen.
Om cyanobacteriën te “programmeren”, brachten de auteurs een zelfreplicerende DNA-cirkel aan in hun cyanobacterie, Synechococcus elongatus. Dit DNA codeerde een gen voor een riboswitch-gestuurd fluorescerend eiwit. Riboswitches zijn korte RNA-segmenten die de genexpressie regelen in het midden van het “DNA → RNA → eiwit”-proces. Hier wordt het DNA getranscribeerd in RNA, maar kan pas worden vertaald in het eiwit door toevoeging van een klein activatiemolecuul genaamd theofylline, dat van nature voorkomt in thee. Toen onderzoekers theofylline aan de ELM toevoegden, verbond het zich aan de riboswitch, waardoor er een vormverandering optrad die vertaling van het fluorescerende eiwit mogelijk maakte.
Stap 3: Een ELM maken die een vervuilende stof afbreekt
Onderzoekers waren nu klaar om hun vervuilende afbrekende ELM te ontwerpen (Fig. 3). Ze ontwierpen nieuwe S. elongatus-stammen, dit keer met hun nieuwe DNA-sequenties direct in de chromosomen van de cel. Het DNA codeerde voor laccase, een enzym dat de kleurstof indigokarmijn kan ontkleuren en dat altijd “aan” staat.
Ze voegden ook een theofylline-responsieve riboswitch in net voor een gen dat al aanwezig was in het DNA van S. elongatus. Experimenten toonden aan dat laccase altijd tot expressie kwam en dat het indigokarmijn kon ontkleuren (Fig. 4) – en ze bewezen dat ze hun ELM naar believen konden doden door de riboswitch te activeren.
Conclusies:
Hoewel er nog meer werk nodig is om een bioremediërende ELM te maken die klaar is voor gebruik in waterwegen, presenteert dit artikel de allereerste op cyanobacteriën gebaseerde ELM waarbij genetisch gemanipuleerde stammen worden gebruikt om een specifiek doel te bereiken, en het is een belangrijke stap voorwaarts in het veld. Dit onderzoek laat zien hoe ELM’s vervuiling kunnen helpen bestrijden en inspireert wetenschappers om creatief en gedurfd te zijn bij het bedenken hoe nieuwe integraties van leven en materialen onze toekomst kunnen innoveren.
Link to the original post: Datta, D., Weiss, E. L., Wangpraseurt, D., Hild, E., Chen, S., Golden, J. W., Golden, S. S., & Pokorski, J. K. (2023). Phenotypically complex living materials containing engineered cyanobacteria. Nature Communications, 14(1). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40265-2
Featured image: Image source: https://www.planetary.org/space-images/cyanobacteria-under-the-microscope
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 