Paremate ensüümide bio-uurimine

Photosynthesis: Crash Course Biology #8 (Juuli 2019).

Anonim

Kui inimesed kuulavad uurimist, võiksid nad ette kujutada, et vanad neljakümmend nineri (kaevurid), kellel on kuldkübarad, või kes võivad olla San Francisco 49ersi esindaja (jalgpallimeeskond), kes uurib uusi talente. Minu laboris teeme veel ühe versiooni, mida nimetatakse bio-uurimiseks - kasulike ainete otsimine looduslikest allikatest. Biouuringud on toonud kaasa palju väärtuslikke tooteid, sealhulgas taimedest pärit vähivastaseid ravimeid ja troopilistest ämblikest keerdunud väga tugevaid siidi.

Meie töö keskendub ensüümidele, mis on keemilised reaktsioonid kiirendavad valgud. Otsime uusi ja võimas ensüüme, mis võivad lahutada polüsahhariide - tavalised molekulid, mis koosnevad pika ahelaga suhkrust. Polüsahhariidid on väga rikkalikud puuviljad ja köögiviljad, mida me sööd, puuvillased riided, mida me kanname, ja puit, mida me kasutame majade ehitamiseks.

Ensüümid, mis võivad polüsahhariide lagundada, on paljudel juhtudel - näiteks pesuainetes, mis riideid plekid lahustavad. Samasuguseid ensüüme võib kasutada ka taimedes leiduvate suhkrute vabastamiseks, mida saab seejärel kasutada biolaguneva plasti tootmiseks.

Minu laboris otsime uusi ensüüme, mis võiksid parandada biotehnoloogiat taastuvate kütuste ja kemikaalide tootmiseks.

Mikroobidest õppimine

Taimed, mis moodustavad toiduvõrgu keskosa, toodavad igal aastal miljardeid tonne polüsahhariide. Taimedes lukustatavad suhkrud on pikkade ahelatega ühendatud. Need koosnevad kolmest suuremast polüsahhariidist: tselluloos, ksülaan ja pektiin. Need polüsahhariidid annavad taimedele oma struktuuri ja aitavad kaitsta neid putukate kahjustuste eest.

Kui taimed surevad, löövad need tugevad polüsahhariid suures koguses suhkruid taime lehtedes ja varsides. Bakterid ja seened murda selle lehe pesakonna allapoole, et jõuda selles sisalduvate toitainetega. See võtab unikaalseid mikroobe, et toota ensüüme, mis lagundavad taimseid polüsahhariide, protsessi, mida nimetatakse sahharifikatsiooniks. Neid mikroobisid nimetatakse saprofüütideks ja neid leidub kõikjal looduses, sealhulgas teie tagahoovis.

Mõistes, kuidas saprofüüdid lagunevad polüsahhariide, õpime selle loodusliku protsessi aluseks olevaid fundamentaalseid bioloogilisi põhimõtteid, näiteks seda, mis juhtub kompostiharutel ja kuidas mikroobid aitavad polüsahhariidi lagunemist teie soolestikus. Me võime kasutada ka nende meetodeid, et leida lahendusi reaalmaailma probleemidele, näiteks paremate toidulisandite, pesuvahendite ja kütuste loomisele.

Kasulike ensüümide avastamine

Minu uurimisrühm uurib, kuidas bakterid tunnevad keskkonda ja omandavad energiat. Me töötame saprofüütilise bakteriga Cellvibrio japonicus, mis toodab ligi 200 ensüümi, mis spetsiaalselt lõhustavad polüsahhariide. Kuna sellel bakteril on selline ensüümide arsenal, saab C. japonicus täielikult taime biomassis leitud polüsahhariide täielikult lagundada.

Me oleme väga huvitatud sellest, kuidas seda bakterit võimalik täielikult täheldada ja seejärel süüa erinevaid polüsahhariide. Kolm põhiküsimust, millele me tahame vastata, on järgmised: (1) Miks on C. japonicus'il sadu ensüüme lagundada polüsahhariide? (2) Millist spetsiifilist funktsiooni teeb iga ensüüm? ja (3) Kuidas bakter integreerib keskkonnateavet ja reguleerib nende ensüümide tootmist?

Nendele küsimustele vastamiseks uurime bakteri füsioloogiat, geneetikat ja biokeemiat. Taimede biomass on erinevate polüsahhariidide kompleksne segu, seega keskendume oma uuringutele tavaliselt üksikute polüsahhariidide ja spetsiifiliste ensüümide uurimisega, mis neid halvendavad.

Näiteks kui me analüüsisime, kuidas C. japonicus lagundab tselluloosi, siis leidsime, et väikeste lahustuvate tselluloosi tükkide (oligosahhariidid) lagunemine kontrollib paljude degradeerumispetsiifiliste ensüümide tootmist. Samuti leidsime, et neli ensüümi, mis arvasid, et neil on sama roll tselluloosi lagunemisel, ei ole omavahel asendatavad. Pigem on need väga spetsiifilised ja rakk kasutab neid ainult teatud kontekstides ja konkreetsete polüsahhariidide jaoks.

Üldiselt oleme leidnud, et tselluloosi lagunemise korral vajab C. japonicus ainult väga väikest arvu polüsahhariidi lagundavaid ensüüme, mida see võib toota. Need ensüümid omavad ainulaadseid omadusi ja on tööstuslikes rakendustes väga kasulikud.

Biotehnoloogilised rakendused

Kuigi me oleme väga huvitatud sellest, mida saprofüütilised bakterid keskkonnas teevad, on meie töö eesmärk ka mõned biotehnoloogiliselt olulised probleemid lahendada. Näiteks üks suurim väljakutse bakterite ja taimematerjalide vaheliste interaktsioonide mõistmisel mõõdab, kui kiiresti bakterid kasvavad, kuna need vähendavad taimede biomassi.

Taimede biomass on vees täielikult lahustumatu, nii et kui bakterid koos taimematerjaliga kolbi kokku segunevad, hakkab see kiiresti olema taimematerjalist bittidega. See raskendab lahuse bakteriaalse kasvu mõõtmist.

Selle probleemi lahendamiseks kasutasime 3-D trükkimist, et ehitada filtri seade, mis on väga sarnane teekihiga, mida saaksite kohvikus kasutada. See seade võimaldab meil eraldada ümbritsevast lahusest bakteritest pärit taimne materjal.

Selle abil saame pakendada filtri seadet mõne taime lehe ja varrega ning panna see vedelasse kasvukeskkonda. Pärast mõnede bakterite lisamist kolbi võime mõõta bakterite kasvu kiirusi väga kiiresti ja täpselt, sest me ei pea pidevalt eemaldama väikesi seemnekestusi seeditud taimedest. Filtri seade hoiab kõik taimeosad sisalduvad. Katse lõpus saab hõlpsasti taastada mis tahes taimematerjali, mis jääb järele, et teha kindlaks, mis jääb pärast bakterite seedimist.

Põhiuuringud on reaalmaailma probleemide lahendamise võti

Mulle sageli küsitakse, miks minu grupp kulutab aega põhiuuringute asemel, et keskenduda üksnes rakendatud tööle, et luua paremaid puhastusvahendeid või kemikaale, kuna rakendatav töö võib inimeste kasuks olla parem. Usun, et teadlased peavad vastama sellele küsimusele väga veendumuselt, sest alusuuringute põhjendused ja eelised ei ole koheselt äratuntavad.

Üks vastus on see, et alusuuringud algasid paljude oluliste avastuste, sealhulgas esialgse uurimisega röntgenkiirte, rohelise fluorestsentsvalgu ja bakteriaalse faagide immuunsuse kohta. Aja jooksul arenesid need fundamentaaluuringud võimelisel piltidel luumurdudeks, vähirakkude uurimiseks ja paljude organismide genoomide muutmiseks. Reaalmaailma eelised olid algteadmiste varajaste investeeringute väärtuses väga väärt.

Me hakkame tuvastama polüsahhariidi lagunemise mõistmisega seotud reaalset kasu. Kui me jätkame uute ensüümide uurimist, loodan, et leiame lahendusi paljudele tehnilistele väljakutsetele, uurides põnevaid viise, kuidas mikroobid hakkavad oma järgmisse sööki saama.

menu
menu