Forskere har udviklet et computerstyret metode for at designe og konstruere bakterie med formålet at identificere tilstedeværelsen af relevante molekyler i omgivelserne. Metoden vil gøre det lettere at benytte bakterier til at identificere relevante molekyler i for eksempel industrien, miljøprøver eller i design af nye biologiske veje til optag og lagring af CO2.
Inden for forskning og industri er der en helt naturlig interesse for at kunne identificere tilstedeværelsen af forskellige molekyler i alt fra vandprøver til store fermenteringstanke.
Det kan man gøre på forskellige måder, men mange gange kræver det store investeringer i form af materialer og apparater til at lave de relevante analyser. Et billigere alternativ kan være at benytte biologi til at identificere, om et givent molekyle er til stede eller ej.
I den sammenhæng er bakterier interessante, da de kan designes og modificeres genetisk til kun at kunne vokse, hvis det relevante molekyle er til stede, og væksten af bakterien kan dermed forbindes med koncentrationen af molekylet.
Nu har forskere udviklet et workflow, som gør det meget lettere at komme fra idéen om en bakterie til at detektere et givent molekyle til rent faktisk at kunne benytte det i sin forskning eller industrielle produktion.
”Vi har beskrevet en end-to-end metode for hvordan vi kan designe, konstruere og gennemføre bakterier til at teste for forskellige molekyler i omgivelserne fra de første modelleringer til den endelige bakterie. Det vil gøre det hurtigere og mere anvendeligt at benytte bakterielle biosensorer i en lang række applikationer,” fortæller en af forskerne bag studiet, postdoc Enrico Orsi fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU)
Forskningen er offentliggjort i Nature Communications.
Forskere fra DTU, Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology i Tyskland, Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology i Tyskland og Weizmann Institute of Science i Israel har samarbejdet om at udvikle og validere metoden.
Vokser kun, når specifikke molekyler er til stede
Der er mange potentielle anvendelser af bakterielle sensorer til at detektere tilstedeværelsen af forskellige molekyler.
Lad os som eksempel betragte biologisk fiksering af CO2, hvilket er relevant at tale om i en kontekst af global opvarmning. Forskere over hele verden leder netop nu efter gode metoder til at tage CO2 ud af atmosfæren, så det ikke bidrager til drivhuseffekten.
Når bakterier (eller for den sags skyld planter og svampe) tager CO2 ud af luften og binder det, kræver det flere på hinanden følgende procestrin, og det er netop disse procestrin, som forskere prøver at videreudvikle med nye bakterielle designs.
Et af disse menneskeskabte designs genererer molekylet glyoxylat som et mellemprodukt, som er nødvendigt for at fiksere CO2 på nogle syntetisk og energi-effektive måder.
I valideringen af deres workflow designede forskerne fra DTU seks stammer af colibakterier, som alle var afhængige af glyoxylat for at vokse.
Forskerne brugte en computermodel til at identificere de nødvendige deletioner for at gøre bakterierne afhængige af glyoxylat for at vokse. Derefter implementerede de disse deletioner ved at genetisk modificere bakterierne, hvilket demonstrerede deres afhængighed af glyoxylat. Desuden undersøgte forskerne to retninger for de sensorer, de havde udviklet.
Først designede forskerne bakterierne på computeren og kopierede derefter computermodellernes design ind i virkelige bakterier ved at klippe i de gener, der var nødvendige for bakteriernes vækst. Derefter undersøgte forskerne to retninger for de udviklede sensorer.
Én tilgang var at introducere nye gener, der koder for enzymatiske aktiviteter fra alternative metaboliske veje, for at muliggøre glyoxylatsyntese og derved genoprette bakterievækst. Måling af bakterievækst tjente som en indikator for, hvor effektivt de introducerede gener genoprettede evnen til at syntetisere glyoxylat, hvilket letter sammenligninger af enzymers ydeevne.
Den anden tilgang placerede bakterierne i et miljø, hvor glycolat (et molekyle tæt beslægtet med glyoxylat) enten var til stede eller fraværende. Bakterievækst indikerede tilstedeværelsen af glycolat, mens manglende vækst indikerede dets fravær.
”Vedrørende den anden applikation: Hvis molekylerne ikke findes i omgivelserne, vokser bakterierne ikke. Den endelige mikrobielle koncentration i kulturen er forbundet med koncentrationen af glycolat i miljøet,” forklarer Enrico Orsi.
Han uddyber, at forskere kan bruge bakterievækst som en billig og højkapacitetsmetode til at bestemme koncentrationen af målmolekylet i en prøve.
”Det her er et proof-of-concept, som kan udvikles til at analysere for tilstedeværelsen af mange forskellige molekyler. Vores publikation er en trædesten, som andre kan benytte til at lave bedre biosensorer,” siger Enrico Orsi.
Mange potentielle applikationer
Enrico Orsi ser for sig mange forskellige settings, hvor det vil være relevant at benytte bakterier til at undersøge for tilstedeværelsen af givne molekyler, og hvor det derfor vil være interessant at benytte det publicerede workflow til at designe dem.
En mulig applikation er inden for industriel produktion af forskellige molekyler i store fermenteringstanke med bakterier. For eksempel forskes der lige nu meget i at benytte bakterier til at lave brændstof eller bioplastik.
I denne setting kan designerbakterier teste for tilstedeværelsen af forskellige molekyler i de produktionsveje, som leder til produktionen af brændstoffet eller bioplastik. Det kan blandt andet belyse eventuelle flaskehalse i produktionen med potentiale for optimering.
Kan benyttes til miljøovervåning
En anden mulighed er at designe bakterier, som tester for produktionen af forskellige molekyler inde i selve cellen.
Dette kan være relevant, når man i forskningen vil konstruere specifikke biologiske veje til at komme fra et substrat til et industrielt relevant slutprodukt.
Her kan cellernes vækst afsløre, om den biologiske vej er skruet godt nok sammen – det vil bakteriernes vækst fortælle.
Endelig kan man forestille sig at benytte designerbakterierne i miljøundersøgelser, hvor man gerne vil finde ud af, om givne molekyler er til stede i for eksempel søer eller havet.
Som eksempel kan det dreje sig om de mikroalger, der ofte skaber såkaldte ”algeblooms”, der både kan være giftige og lede til iltsvind.
Disse mikroalger udskiller forskellige molekyler, som man kan overvåge ved at udtage prøver og eksponere dem for relevante bakterier, som kun vokser, når molekylerne er til stede.
Metoden vil derved være relevant i forhold til myndighedernes miljøovervågning.
”Muligheden for at detektere tilstedeværelsen af molekyler ved hjælp af bakterier har potentialet til at være relevant inden for en række forskellige områder. Det har været erkendt længe, men det er ikke let bare at designe en bakterie til at kunne måle tilstedeværelsen af et givent molekyle. Med vores workflow viser vi, hvordan det kan gøres fra den første idé til endelig validering af en funktionel bakteriestamme,” siger Enrico Orsi.