Yeni Genetik Mühendisliği Aracı, Mikroplardaki Biyokimyasal Hazine Sandığı'nı Açıyor

Yeni bir genetik mühendislik aracı, mikrobiyal metabolit uygulamalarının taşkınlarının açılmasına yardımcı olacaktır.

Yeni Genetik Mühendisliği Aracı, Mikroplardaki Biyokimyasal Hazine Sandığı'nı Açıyor

Mikropların içindeki moleküler makineyi teknoloji olarak hayal eden bir örnek. Resim Kredi: Wayne Keefe / Berkeley Laboratuvarı

Yeni bir genetik mühendislik aracı, mikrobiyal metabolit uygulamalarının taşkınlarının açılmasına yardımcı olacaktır.

Sekonder metabolitler - mikroplar tarafından iç ve dış mesajlaşma, kendini savunma ve kimyasal savaşa aracılık etmek için üretilen bileşikler - yüzlerce değerli tarımsal, endüstriyel ve tıbbi ürünün temelidir. Ve yeni, potansiyel olarak değerli ikincil metabolitlerin keşfedilme hızındaki artış göz önüne alındığında, mikropların sunacak daha çok şeyi olduğu açıktır.

Şimdi, Enerji Ortak Genom Enstitüsü (JGI) tarafından yönetilen bir mikrobiyolog ve genomikçi ekibi, bu bileşiklerin çalışılmasını çok daha kolay hale getiremeyen, aynı zamanda bizim anlayışımızdaki önemli boşlukları doldurabilen, CRAGE adlı bir genetik mühendisliği aracı icat etti. Mikroplar çevreleriyle nasıl etkileşime girip evrimleşiyorlar. Goethe Üniversitesi Frankfurt ve DOE Çevresel Moleküler Bilimler Laboratuvarı (EMSL) ile ortak çalışmaları, 14 Ekim 2019'da Nature Microbiology'de yayınlandı .

Mikrobiyomlara dalmak

İkincil metabolitlere bu nedenle adlandırılır çünkü aktiviteleri ve fonksiyonları bir mikropun hayatta kalması için gerekli değildir, ancak organizmaya çevresel baskılar karşısında bir avantaj sağlayabilir. Biyosentetik gen kümeleri (BGC'ler) olarak adlandırılan gen grupları tarafından kodlanan bu metabolitleri üretme kabiliyeti, yatay gen transferi yoluyla hem yakından hem de uzaktan ilgili mikroplar arasında kolayca ileri geri iletilir. Bu hızlı ve yaygın paylaşım, mikropların özellikleri hızlı bir şekilde kazanıp kaybederek değişen koşullara uyum sağlamasına olanak tanır ve sık sık yer değiştirme, mutasyonlara neden olduğu için BGC'lerin yatay gen aktarımı, çeşitli bileşiklerin gelişimini sağlar.

Ne yazık ki, ikincil metabolizmanın etkileyici dünyasını geleneksel olarak araştırmak çok zordu çünkü mikroplar laboratuara getirildiğinde, çok az zorluk ya da rekabet sunan yapay bir ortam olduğu zaman, tipik olarak bu bileşikleri yapmaktan rahatsız olmazlar. CRAGE - şasi bağımsız rekombinaz destekli genom mühendisliği için kısa - bilim adamlarının bu barikatı aşmasına yardımcı olur.

Bu çalışmanın ilk üç yazarı soldan sağa: Zhiying “Jean” Zhao, Jing Ke ve Gaoyan Wang, hepsi JGI'dan. Kredi: Berkeley Lab

“Bu metabolitler, mikropların biyomları ile etkileşime girmek için kullandıkları bir dil gibidir ve izole edildiklerinde sustururlar” dedi JGI bilim adamı ortak yazar Yasuo Yoshikuni. “Şu anda mikropları BGC'lerini aktif hale getirmeye ve tüm ürünü sentezlemeye teşvik eden teknolojiden yoksunuz - birçok adımı içeren hücresel bir süreç.”

CRAGE, bir organizmadan kaynaklanan BGC'lerin, laboratuvar koşullarında doğal olarak sekonder metabolit üretebilen doğal olarak ortaya çıkan mikrobiyal soyları tanımlamak için aynı anda birçok farklı potansiyel üretim konakçıya nakledilmesi için oldukça etkili bir yoldur.

Goethe University Frankfurt, Almanya’nın ortak yazarlarından Helge Bode “CRAGE bu nedenle öncekilerden çok daha kolay bir şekilde bu bileşiklere ulaşmamızı sağlıyor” dedi. “Bazı durumlarda, ilk defa bir ilgi alanı oluşturmamızı ve nitelememizi sağladı.”

Daha genel olarak, mikrobiyal makinelerin bir türden diğerine aktarılması için bir teknik sağlayarak, CRAGE bilim adamlarının teorilerin ve tahminlerin ötesine geçmesini sağlayacak ve en sonunda “biyolojik karanlık madde” kategorisinde yer alan bileşiklerin gerçekte nasıl çalıştığını gözlemleyecektir.

“Bu dönüm noktası bir gelişmedir, çünkü CRAGE ile farklı organizmaların bir gen ağını nasıl farklı şekilde ifade edebildiğini ve böylece yatay olarak aktarılan yeteneklerin nasıl gelişebileceğini inceleyebiliriz. Bunu yapmanın önceki araçları çok daha sınırlı, ”dedi. Kuzeybatı Pasifik Ulusal Laboratuarı'nda bulunan EMSL'deki kimyager ortak yazar David Hoyt. Hoyt ve meslektaşları Kerem Bingöl ve Nancy Washton, Yoshikuni'nin grubu CRAGE'yi test ettiğinde üretilen ve daha önce bilinmeyen ikincil metabolitlerden birini karakterize etmeye yardımcı oldu.

Ortak yazar JGI'da bilim mühendisliği yapan Jing Ke, “İkincil metabolitlerin ötesine bakarken, CRAGE, proteinlerin, RNA'ların ve diğer moleküllerin çok çeşitli uygulamalara sahip üretimi için mikropların yapımında kullanılabilir” dedi.

Sonraki adımlar

Şimdiye kadar, ekip BGC'leri 30 farklı bakteri suşuna başarıyla transfer etti ve tekniğin bazı türler için adapte edilmesi gerekmesine rağmen, diğerlerinde de çalışmasını bekliyor. Halihazırda daha fazla araştırma ve ürün geliştirme çalışmaları devam etmektedir, ancak teknik artık JGI'yi (bir DOE Bilim Kullanıcı Tesisi Ofisi Kullanıcı Programı) pilot programlar aracılığıyla kullanan araştırma ekipleri için mevcut.

Bu arada, 2013'te RAGE öncül gen rekombinant aracı geliştiren Yoshikuni ve JGI meslektaşları, biyo-imalat için alışılmadık bakteriyel konakçıları keşfetmek gibi kendi projelerine CRAGE uygulamaya başladı.

Yoshikuni, “Çok iyi çalışılmış mikropların yanı sıra, E. coli gibi model organizmalar olarak adlandırılan model organizmalar, bir türün BGK aktivasyonunun tüm adımlarını gerçekleştirmek için gerekli becerilere sahip olup olmayacağını bilmiyoruz” dedi. “İnşallah CRAGE ile bu paradigmayı değiştirmeye başlayabiliriz - daha vahşi türlere bakabilir ve ürün ve ilaçların üretimi için daha uygun olan özelliklerini bulabiliriz.”


Bu çalışma DOE Bilim Ofisi, DFG (Alman Araştırma Vakfı) ve LOEWE Çeviri Biyolojik Çeşitlilik Genomisi Merkezi tarafından desteklenmiştir.

CRAGE, Berkeley Lab’ın Fikri Mülkiyet Ofisi'nden lisans almak ve JGI'nin kullanıcı programları aracılığıyla ortak araştırma yapmak için kullanılabilir.

1931 yılında, en büyük bilimsel zorlukların ekipler tarafından en iyi şekilde ele alındığı inancıyla kurulan Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve bilim adamları, 13 Nobel Ödülü ile ödüllendirildi. Bugün Berkeley Lab araştırmacıları sürdürülebilir enerji ve çevre çözümleri geliştiriyor, faydalı yeni malzemeler yaratıyor, bilgi işlemin sınırlarını geliştiriyor ve hayatın, maddenin ve evrenin gizemlerini araştırıyor. Dünyanın dört bir yanından bilim adamları, kendi keşif bilimleri için Laboratuar tesislerine güveniyorlar. Berkeley Lab, Kaliforniya Üniversitesi tarafından ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi tarafından yönetilen çok programlı bir ulusal laboratuvardır.

DOE Bilim Ofisi, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki fizik bilimlerindeki temel araştırmanın en büyük destekçisidir ve zamanımızın en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır.

Referans: “CRAGE, aşılmamış bakterilerde biyosentetik gen kümelerinin hızlı aktivasyonunu sağlar”, Gaoyan Wang, Zhiying Zhao, Jing Ke, Yvonne Engel, Yi-Ming Shi, David Robinson, Kerem Bingöl, Zheyun Zhang, Benjamin Bowen, Katherine Louie, Bing Wang Robert Evans, Yu Miyamoto, Kelly Cheng, Suzanne Kosina, Markus De Raad, Leslie Silva, Alicia Luhrs, Andrea Lubbe, David W. Hoyt, Charles Francavilla, Hiroshi Otani, Samuel Deutsch, Nancy M. Washton, Edward M. Rubin, Nigel J. Mouncey, Axel Visel, Trent Northen, Jan-Fang Cheng, Helge B. Bode ve Yasuo Yoshikuni,