Az E. coli sejtek megtalálhatják és megsemmisíthetik az atrazin herbicidet • Vera Bashmakova • Tudományos hírek a "Elemekről" • Genetika

Az E. coli sejtek képesek voltak megtalálni és megsemmisíteni az atrazin herbicidet

Az atrazin kémiai szerkezete. Kép: en.wikipedia.org

A szintetikus biológiában részt vevő minden tudós álma a sejtek reprogramozása, hogy egymástól függetlenül képesek legyenek komplex feladatok elvégzésére – például szintetizálással, vagy ezzel ellentétesen néhány anyag lebontásával. Fokozatosan ez az álom valóra vált: mutáns E. coli sejteket hoztak létre a közelmúltban (Escherichia coli), amelyek felismerik az atrazin herbicidet, átkerülnek a lokalizáció helyére és elpusztítják.

Mivel az atrazin semmi köze az E. colihoz, a munka két részből állt. Először is "a baktériumokat" kellett "megtanítani" az atrazin felismerésére és az irányába való elmozdulásra (ezt a mozgást pszeudotaksisnak nevezik, a kemotaxis analógiájával). Másodszor, a baktériumoknak egy "fegyvert kellett elpusztítaniuk" a herbicidet (vagyis az enzimeket, amelyek felosztották).

Az E. coli egész szenzorrendszerrel rendelkezik különböző vegyi anyagok – aminosavak, dipeptidek és cukrok kimutatására. Elvileg lehetőség nyílt arra, hogy az egyik érzékelőt "újracserélje", hogy reagáljon az atrazinra, de a kutatók úgy döntöttek, hogy a másik irányba megyek, és "húzzák" ezt a herbicidet, nem fehérjéket, hanem RNS-molekulákat.

Ehhez a SELEX technológiát használtuk.Ez a kiválasztási módszer hatalmas (több mint 10 évvel ezelőtt)14 tagok) RNS-szekvenciák könyvtárai, amelyek specifikusan és erőteljesen kötődnek a kívánt ligandumhoz (ilyen RNS, DNS vagy fehérje szekvenciák aptamerek; lásd Aptamer). A kapott aptamer alapján riboswitch-eket hoznak létre – olyan RNS-szekvenciákat, amelyek fehérje kofaktorok nélkül ligandum-függően szabályozzák a génexpressziót. Ezután számos lehetőség létezik: a sejteket arra kényszeríthetjük, hogy egy anyagot idegen anyagcseréjükre bocsássanak, megtanítsák őket arra, hogy bizonyos molekulák irányába mozogjanak, vagy fordítva "meneküljenek el tőlük" stb.

Sajnos gyakran előfordul, hogy a ligandum iránti nagy affinitással rendelkező aptamer alapján előállított riboswitch valamilyen okból "nem működik", és nem okozhatja a szükséges reakciókat a sejtben. Nagyon nehéz megjósolni az aptamer "kompetenciáját" ebben a kérdésben. Ezért a kutatók úgy döntöttek, hogy egy nagy aptamer könyvtárat kapnak, amelynek átlagos affinitása az atrazinra, ahelyett, hogy nagy affinitással rendelkező egyetlen aptamert keresne.

Következő – technika kérdése. Ennek a könyvtárnak minden egyes tagja alapján létrehozunk egy riboswitch-t és "varrjuk" nekikprominens gén (a vizsgálat során a gént használták Chezfelelős a sejtmozgékonyságért E. coli és részt vesz a kemotaxis folyamatában ebben a baktériumban). Átalakítsa a hiányos Chez (vagyis e géntől mentes és nem képes mozgatni) az Escherichia coli sejteket a kapott riboswitch könyvtár felhasználásával és a környezetre szétszórva atrazin nélkül. Ha a riboswitch működik, akkor az atrazin hiányában a sejtek nem mozoghatnak; ezért az összes bakteriális klón közül csak a mozdulatlanokat választjuk ki. A kiválasztás két ciklusa után kezdődik a második szakasz – a kiválasztott klónok szerdán szétszóródnak atrazinnal. Most viszont egy működő riboswitch jele, éppen ellenkezőleg mobilitás sejtekben.

A riboswitch fogadásának rendszere. és – a technika használatával Selex létrehozunk egy aptamerek könyvtárát, amelyek átlagos affinitással rendelkeznek egy ligandumhoz véletlenszerű RNS szekvenciákból és "varrnak" egy gént mindegyikhez Chez. b – átalakítjuk a hiányosokat Chez baktériumokat használva a kapott könyvtárat. kiválasztása mozdulatlan sejtek kolóniái atrazin nélküli táptalajon és mozgó atrazint tartalmazó közegben. Kép a cikkből a vita során Természet Kémiai Biológia

Ennek eredményeképpen kapunk egy bizonyos számú riboswitches. Meg kell választani azt a funkciót, amelyik a legjobban működik. Ehhez mindegyiküknek "varrni" kell egy különleges demonstrációs gént lacZ. Ez a gén két részből áll – a transzpozáz régióból és a béta-galaktosidázt kódoló szekvenciából (a transzpozázokra vonatkozó további információkért lásd: A növények kölcsönkérnek géneket a "genomi parazitákból", elemek, 2007. november 26.). És akkor – egyszerűen: minél erősebb a béta-galaktosidáz szintje az atrazin jelenlétében, annál jobb a sejtben működő riboswitch.

Miután kiválasztotta a legjobbakat az összes riboswitch, a kutatók úgy döntöttek, hogy kitalálják, hogyan működik. Egy sor elegáns kísérlet során képesek voltak kimutatni, hogy a riboswitch aktivitása a fordításhoz kapcsolódik, nem pedig a transzkripcióhoz. Ezenkívül lehetőség nyílt a riboswitch munkájának modelljére is. Kezdetben, ha nincs atrazin, annak riboszóma-kötő helyét blokkolja az atrazin-kötőhely. Az atrazin jelenlétében azonban ezt a helyet eltávolítjuk, az RNS "leül" a riboszómára, és megkezdődik a fehérjeszintézis.

Miután kiderült, hogyan működik a riboswitch, a tudósok a munka második szakaszába lépnek – meg kellett találniuk az atrazinot hasító enzimet. Nem volt gond.Ez a herbicid már hatvan éve szennyezi a környezetet, és sok mikroorganizmus megtanulta megsemmisíteni. Ehhez a munkához a kutatók a jól jellemzett gének egyikét használták – AtzA, amely a klórhidrolázt kódolja, amely az atrazint hidroxi-tiazinre alakítja. Az atrazinnal ellentétben a hidroxi-tiazin meglehetősen békés anyag. Ez nem herbicid, és feltételezzük, hogy ez nem káros az emberi egészségre. Ezenkívül sokkal jobb a talajon adszorbeált atrazin. Így az atrazin hidroxi-tiazin-származékká történő átalakítása hasznos lehet a szennyezett talaj helyreállításához.

Most csak az E. coli "mágikus" sejtjeinek létrehozása marad, amelyek az atrazint találhatják és bomlanak. A tudósok oly módon modellezték, hogy a gén CheZ (amely felelős a mozgásért és a kemotaxisért) egy riboswitch irányítása alatt áll, ezért csak atrazin jelenlétében működik. Ugyanakkor, a gén AtzA (splitting atrazin) és a zöld fluoreszcens fehérje GFP génje (ez a sejteket sokkal láthatóbbá teszi, és lehetővé teszi a mutáns sejtek normálistól való megkülönböztetését) folyamatosan kifejeződnek.

A baktériumok működésének tesztelésére a kutatók szétszórtak egy atrazintartalmú agar táptalajra. A közeget olyan módon állítottuk elő, hogy az atrazin bomlása rajta jól látható specifikus foltokat képezve.

Egy éjszakán át tartó inkubálás után kerek kolóniák alakultak ki a tápközeg felszínén, váltakozó fényt és sötét gyűrűket tartalmazva. A GFP fluoreszcenciáját vizsgálva a tudósok azt találták, hogy a fényes gyűrűket nagyszámú sejt képezi, míg a sejtek sötét területein sokkal kisebb, és a médium felületén lévő foltok alapján is kevesebb atrazin van.

Feltételezzük, hogy ezek a gyűrűk az alábbiak szerint jelennek meg. Ha egyszer az atrazinban gazdag környezetben van, akkor a sejtek különböző irányokban mozognak a koncentrációjával arányos arányban. Formált kerek telep. Sok sejt van benne – ez azt jelenti, hogy gyorsan el tudják bomlasztani az atrazint, és nincs mit tenniük. Ezután a legtöbb "ravasz" ezen sejtek tovább tudnak csúszni (ennek következtében a spot átmérője növekszik), és új "atrazin alapot" találnak maguknak. A maradék sejtek, egyszer a beatrazinmentes tápközegben, elveszítik a mozgásvágyat, mert az atrazin hiányában a pszeudotoxis is eltűnik tőlük.Így jelenik meg egy könnyű és sötét terület a telepen. Egy idő után az atrazin a külső gyűrűben végződik; akkor a sejtek továbbhaladnak, így az új gyűrűk megjelennek.

Ezenkívül érdemes megemlíteni, hogy a génből hiányzik a kontroll baktériumok AtzA (azaz az atrazin irányába csúszik, de nem képes lebontani), egyszerűen kerek kolóniákat alkotnak, a világos és sötét területek váltakozása nélkül és foltok nélkül, ami a herbicid katabolizmusát jelzi.

Az atrazin tartalmú táptalaj fehérvérsejtek (a bal oldalon) és az ultraibolya (a jobb oldalon) fény. fel (és) – a kontroll sejtek kolóniái CheZ egy riboswitch által vezérelt, de mentes AtzA (vagyis azok, akik képesek atrazint találni, de nem képesek lebontani). Lent lent (b) – a sejteket tartalmazó sejtek kolóniája CheZ és AtzA (vagyis azokat, akik képesek találni és bomlik az atrazin). Látható, hogy a kontrollsejtek nem változnak a kolónia világos és sötét koncentrikus gyűrűjével. Kép a cikkből a vita során Természet Kémiai Biológia

Mindez arra utal, hogy a kísérlet sikeres volt, és az E. coli képes megtalálni és megsemmisíteni az atrazint – ami azt jelenti, hogy óriási lehetőségek vannak a környezetszennyezés leküzdésére,így általában a szintetikus biológia fejlődéséhez.

Természetesen sok kérdést még nem sikerült megoldani. Például az E. coli sejtek "nem látják" az atrazint kis koncentrációban, ezért csak rendkívül szennyezett helyeken alkalmazhatók. De ez a munka csak a kezdet, és a későbbi kísérletekben lehet "csavarni" a sejteket. E. Coli egy "atrazinochutkogo" állapotba, vagy másfajta baktériumot használnak. Valószínűleg hasznos lehet "a sejtek mobilitását kikapcsolni nem hiányában, hanem éppen ellenkezőleg, az atrazin jelenlétében, akkor kolóniákat fognak alkotni a felhalmozódás helyeiben, de ha megbirkóznak vele, akkor elkezdenek kijönni az üzletükről.

Forrás: Joy Sinha, Samuel J. Reyes, Justin P. Gallivan. A baktériumok átprogramozása. // Természet Kémiai Biológia (2010). V. 6. P. 464-470. Doi: 10.1038 / nchembio.369.

Vera Bashmakova


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: