Cudowna bakteria

Izraelscy uczeni zrobili niezwykłą pałeczkę okrężnicy pochłaniającą CO2 jak rośliny (fot. Kateryna Kon)

Co byśmy chcieli pod choinkę? Ja bym sobie życzyła wielu rzeczy, ale najbardziej, żeby nauka zaczęła realnie, skutecznie i szybko odpowiadać na kryzysy w dookolnej rzeczywistości. Nowe, tanie materiały zastępujące plastik, nowe sposoby magazynowania energii, jeszcze bezpieczniejsze szczepionki i antybiotyki, leki genetyczne zdolne ocalić życie dzieci z chorobami wrodzonymi, przykute często od urodzenia do łóżka… No i jakiś sposób akumulacji nadmiarów dwutlenku węgla obecnego w atmosferze. Samo zalesianie nie pomoże, trzeba szybko coś wymyślić.

Bakterie tanio zrobią nam cukier, który nie tuczy, nie psuje zębów i nie wzmaga cukrzycy

Cukier… biała śmierć. Chyba żadna inna dopuszczona masowo do spożycia, ba – obecna powszechnie w żywności dla niemowląt (niestety) – substancja ...

zobacz więcej

Czego nie ma w naturze albo czego w naturze nie potrafimy jeszcze znaleźć (wiemy mniej o głębinach morskich niż o kosmosie), inżynierowie genetyczni czy tzw. biolodzy syntetyczni próbują zrobić. Pisałam o tym ostatnio, przy okazji bakterii zmuszonych do wytwarzania cukru bezpiecznego dla diabetyków i dla naszych zębów.

Dziś z kolei grupa uczonych izraelskich z Instytutu Weizmanna w Rehovot pod kierunkiem profesora Rona Milo chyba zabawiła się w mojego Aniołka czy Gwiazdora (dla Ślązaków: Dzieciątko). Udało im się bowiem – im oraz ewolucji w probówce – zrobić ze zwykłej pałeczki okrężnicy, bakterii obecnej masowo w naszych jelitach i jednej z nielicznych, której łacińską nazwę „Escherichia coli” zna chyba każdy, mikroba absolutnie cudownego. Nic dziwnego zatem, że opowiedzieli o swoim osiągnięciu na łamach najnowszego wydania topowego czasopisma naukowego „Cell”.

W naturze jest tak: albo jest się samożywnym (autotrofem) – co oznacza, że cały swój organizm buduje się dzięki asymilacji dwutlenku węgla i jego redukcji tak, by mogły powstawać inne cząsteczki organiczne. Albo jest się cudzożywnym (heterotrofem) – czyli aby tworzyć związki organiczne własnego ciała, trzeba jeść związki organiczne, rozkładać je (na ogół polega to na ich utlenianiu) na kawałki i z tych cegiełek tworzyć nowe, własne.

W ramach tego superprzyspieszonego kursu metabolizmu związków węgla trzeba jeszcze dodać, że aby asymilować CO2, potrzebna jest jakaś energia. Energia w świecie pochodzi z trzech źródeł podstawowych. Po pierwsze ze słońca. Taką wykorzystują ci samożywni, którzy jak rośliny czy bakterie zwane sinicami asymilują CO2 korzystając z zielonego barwnika – chlorofilu.

Powiedz mi, jak jest twój styl życia, a powiem, jak cię zwalczyć

Mikrobiolodzy z Uniwersytetu w Pittsburgu (USA) oznajmili, że potrafią przewidzieć, w jaki sposób przebiegnie ewolucja bakterii, gwarantująca jej...

zobacz więcej

Po drugie – z rozpadu wiązań chemicznych w związkach nieorganicznych, np. amoniaku czy siarkowodoru. To nieczęste i dotyczy jedynie nielicznych rodzajów bakterii i tzw. archeonów. Takie przedziwne organizmy nazywamy chemolitoautotrofami.

Gdy już połamaliśmy sobie język – oto nadciąga cała reszta świata, z nami na czele, gdzie energia pochodzi z oddychania. Czyli, jak nas uczono w szkole – powolnego spalania „pokarmu” w tlenie (no powiedzmy, że to trochę naciągane, bo oddychanie może być beztlenowe i takowym są np. wszelkie fermentacje).

Czy oddychanie jest tlenowe, czy beztlenowe, wynika z tego, jaki związek jest na samym końcu „pochłaniaczem” przekazywanych w tym procesie elektronów. U nas jest nim tlen, i z jego redukcji powstaje woda. U bakterii fermentujących jest nim jakiś prosty cukier, a powstaje z niego na ogół jakiś kwas, co wie każdy, kto robił kiszone ogórki czy kapustę.

Tak my, jak i inne „cudzożywne” organizmy, w tym gros bakterii, a wśród nich pałeczka okrężnicy, które jedzą związki organiczne, zwiemy się naukowo heteroorganotrofami. Musimy z jednej strony pochłaniane związki organiczne porozrywać na kawałki (na ogół przez utlenianie), by z ich szkieletów węglowych zbudować potrzebne sobie związki organiczne, a z drugiej strony utlenić, i po to, by z tego czerpać energię do wszelkich życiowych procesów. Jako „produkt uboczny” oddychania wyrzucamy do atmosfery CO2. Z kolei autotrofy pochłaniają ów CO2 i tak to się kręci w naturze od co najmniej 3,5 mld lat.

I teraz uwaga: pomyślmy stworzenie, które będzie pozyskiwało energię z prostych związków organicznych, ale swe ciało i wszystkie białka, cukry i tłuszcze zbuduje z asymilowanego CO2. Taką właśnie – raczej nieistniejącą w naturze bakterię – udało się powołać do życia naukowcom z Instytutu Weizmanna w mieście Rechewoth blisko Tel Aviw.

Bezpieczny przeszczep zamiast codziennych zastrzyków. Wielka nadzieja dla chorych na cukrzycę

Uczeni z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco (USA) z dumą mówią dziś w materiale opublikowanym przez ich uczelnię: „Potrafimy stworzyć w...

zobacz więcej

W 1890 r. żydowscy emigranci z Polski za pieniądze barona Rothschilda założyli tam osadę. Dziś nie uprawia się tam już winnic, jak wtedy, takoż i populacja się zmieniła. Dziś miasto słynie z upraw cytrusów i z nauki. Bo poza nowoczesnym i naprawdę pozazdroszczenia godnym instytutem biologicznym, w którym pracuje profesor Milo, jest tam też słynna wyższa szkoła rolnicza ze sporym zapleczem badawczym.

Ponieważ grupa profesora Milo zajmuje się metabolizmem węgla i obiegiem energii w przyrodzie od lat, jej pomysł na zrobienie „cudownej pałeczki” nie zabrnął w próby wymuszenia na Escherichia coli klasycznej fotosyntezy. Układy białek i barwników sterujące procesem nawet najprostszej fotosyntezy bakteryjnej to bowiem kolosy – nanomaszyny, które ewoluowały miliard lat, kodowane przez wiele genów.

Pałeczka zatem, choć cudowna, pozostała zależna od pozyskiwania energii z utleniania jednego z najprostszych związków organicznych – mrówczanu (HCOOH). Na szczęście fotosynteza składa się nie tylko z „fazy jasnej” – skomplikowanego procesu pozyskiwania energii słonecznej i jej magazynowania pod postacią związków typu NADH i ATP.

Kluczowa w tym procesie jest również „faza ciemna”, zwana też cyklem Calvina, gdzie energia owa jest spożytkowana na zredukowanie dwutlenku węgla do związków organicznych. Niezbędne tu enzymy – ten, który pozwala na utylizację mrówczanu (zwany FDH) i te odpowiedzialne za przeprowadzanie cyklu Calvina – udało się w Rechewoth „włożyć” pod postacią kodujących je genów do Escherichia coli.

No ale jak zmusić bakterię o szerokim spektrum dostępnych strategii metabolicznych (co przekładając z naukowego na nasze oznacza, iż potrafi jeść cukry i mniej przystępne związki organiczne, a oddychać i tlenowo, i – w warunkach mocno ograniczonego dostępu tlenu – przeprowadzając fermentację), żeby się ograniczyła? Żeby wybrała właśnie tę ścieżkę przemiany materii, która odpowiada nam?

Technologie zmian genetycznych roślin mogą nieść spore zagrożenia

My żywimy się głównie pszenicą i ziemniakami, Azjaci – głównie ryżem. Dla Afryki i wszelkich obszarów tropikalnych podstawowym dostawcą jadalnej...

zobacz więcej

Na początku, mimo dołożenia jej genów, niespecjalnie chciała. Mrówczan bowiem to kwas mrówkowy – można powiedzieć żrąca, śmierdząca substancja, ani do porównania z taką słodziutką glukozą czy sacharozą. W tym wypadku jedyny obecny w tej cząsteczce atom węgla „szedł cały w gwizdek”, czyli w produkcje cząsteczki CO2. Mrówczan ma też bardzo korzystną dla swych nowych celów cechę – da się go tanio elektrochemicznie pozyskiwać na skalę przemysłową.

Jak bakteria nie chce rosnąć na jakiejś pożywce, trzeba jej najpierw dać inną, a potem powolutku dodawać tej pożądanej. Coraz więcej, i więcej, ograniczając jednocześnie tę ulubioną pożywkę. Każdego można przyzwyczaić wreszcie do nowej diety – dlaczego nie miałoby się dać przyzwyczaić „cudownej bakterii”? Na czym w istocie polega „przyzwyczajanie psa, żeby jadł trawę”?

Komórki bakteryjne, nawet gdy rosną wolno (a w trudniejszym do przeżycia środowisku bakterie rosną wolniej, co w konsekwencji oznacza, że rzadziej się dzielą na komórki potomne), ciągle tworzą nowe, potomne cząsteczki DNA. A w nich – dzięki samemu procesowi syntezy DNA – powstają mutacje.

Gdy mutacja jest korzystna, bakteria podzieli się na potomne komórki szybciej niż jej niezmutowane siostry, bo będzie szybciej rosła. A to znaczy, że w jednostce czasu ta zmutowana korzystnie komórka będzie miała więcej potomków. Ostatecznie po wielu pokoleniach to jej dzieci, wnuki, i prapraprawnuki będą dominować w populacji.

Uczeni z Instytutu Weizmanna, gdy twór ich genetyczno-inżynieryjnych wysiłków okazał się niedoskonały i do życia niezdolny, pozwolili działać naturze i jej naturalnie powstającym i ulegającym selekcji mutacjom. Wszystko według nieubłaganych darwinowskich praw. Zajęło to Escherichi coli hodowanej w chemostacie (czyli urządzeniu umożliwiającym ciągłe dostarczanie składników odżywczych i odprowadzanie produktów przemiany materii) 200 dni, by z tworu ludzkich wysiłków na niwie biologii syntetycznej stać się sprawnym życiowo wynikiem działania matki ewolucji.

Szkło, które zabije bakterie. Szpitale będą bezpieczniejsze

Zespół doktora Richarda Martina z Aston University w Birmingham opracował zabijające bakterie szkło z domieszką kobaltu. Eksperci wskazują, że może...

zobacz więcej

Potrzebne było 11 kolejnych mutacji. W końcu bakteria nie potrzebowała już więcej organicznego węgla, cały czerpiąc z CO2, zaś jako jedyne jej źródło energii wystarczał mrówczan.

I tak to z heterotrofa w mniej niż rok zrobiono w laboratorium autotrofa. Przyszłość tego odkrycia? Nie tylko trzeba będzie uzupełnić podręczniki biochemii i fizjologii baterii o nową, niewykorzystaną dotąd przez naturę możliwość asymilacji CO2 w oparciu o energię pozyskaną z utleniania związku organicznego (to się będzie nazywało chemoorganoautotrof). Ta bakteria, niczym rośliny, produkuje biomasę z dwutlenku węgla. Wydajnie się nim odżywia, wiążąc go z atmosfery.

Jak by się jeszcze trochę postarać, to taki mikroorganizm – czy raczej jego dalej udoskonalone potomstwo – może pomóc rozwiązywać problem nagromadzenia CO2 w atmosferze znacznie sprawniej, niż próby pompowania tego gazu cieplarnianego do wyrobisk kopalnianych czy gwałtowne zalesianie etc.

Escherichia coli to bakteria modelowa w genetyce. Istnieją setki, jeśli nie tysiące narzędzi i sposobów uzyskania z niej leków czy innych cennych związków chemicznych na przemysłową skalę. Dlaczegóż nie z takiej pałeczki, która cały swój węgiel czerpie dosłownie z powietrza? Gdzie nie tylko jest on darmowy, a w zasadzie szukamy na gwałt sposobów, by go tam było mniej.

źródło:
Zobacz więcej