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Bakterien manipulieren, um Licht zu ernten
Häufig verwendete Laborbakterien, genannt E coli können in einem einzigen genetischen Schritt in lichtsammelnde Organismen umgewandelt werden, so eine neue Studie des MIT. Die genetische Verbesserung ermöglicht es Mikroorganismen, die ihre Zellenergie normalerweise aus Zucker beziehen, auf eine Ernährung mit Sonnenlicht umzustellen. Diese Erkenntnisse könnten letztendlich verwendet werden, um Bakterien genetisch zu verändern, die Biokraftstoffe, Medikamente und andere Chemikalien effizienter produzieren können.
Bakterien beleuchtet: E. coli, die so konstruiert wurden, dass sie das Proteorhodopsin-Protein exprimieren, sind oben unter Fluoreszenzlicht abgebildet. Wenn es durch die richtige Lichtwellenlänge aktiviert wird, treibt das Protein den Flagellenmotor der Zelle an und ermöglicht ihm, sich zu bewegen. In diesem Fall absorbiert das Protein grünes Licht: Wenn das Bakterium mit grünem Licht bestrahlt wird, bewegt es sich (untere Reihe). Wenn rotes Licht leuchtet, bleibt es stationär (obere Reihe).
Einige Bakterien wie Cyanobakterien verwenden Photosynthese, um Zucker herzustellen, genau wie Pflanzen. Aber andere haben eine neu entdeckte Fähigkeit, Licht durch einen anderen Mechanismus zu gewinnen: durch die Verwendung von lichtaktivierten Proteinen, die als Proteorhodopsine bekannt sind und den Proteinen unserer Netzhaut ähneln. Wenn das Protein an ein lichtempfindliches Molekül namens Retinal gebunden ist und mit Licht getroffen wird, pumpt es positiv geladene Protonen durch die Zellmembran. Dadurch entsteht ein elektrischer Gradient, der als Energiequelle dient, ähnlich wie die Spannung oder elektromotorische Kraft, die von Batterien geliefert wird.
Im Jahr 2000 erstmals in Meeresorganismen entdeckt, fanden Wissenschaftler kürzlich heraus, dass die Gene für das Proteorhodopsin-System – im Wesentlichen ein genetisches Modul, das die Gene umfasst, die sowohl für das Protein als auch für die Enzyme kodieren, die zur Herstellung von Netzhaut erforderlich sind – häufig zwischen verschiedenen Mikroorganismen im Ozean ausgetauscht werden . (Während wir normalerweise daran denken, dass Gene von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden, können Mikroorganismen DNA-Stücke seitlich austauschen.)
Fasziniert von der Aussicht, dass ein einziges Stück DNA wirklich alles ist, was ein Organismus braucht, um Energie aus Licht zu gewinnen, fügten die Forscher es in E coli . Sie fanden heraus, dass die Mikroorganismen alle notwendigen Komponenten synthetisierten und in der Zellmembran zusammenbauten, um das System zur Energiegewinnung zu nutzen. Alles, was man braucht, um Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen, ist ein bisschen DNA, sagt Ed Delong , Professor für Bioingenieurwesen am MIT und Autor der Studie. Die Ergebnisse wurden letzte Woche im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences .
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Die Ergebnisse haben Auswirkungen sowohl auf die Meeresökologie als auch auf die synthetische Biologie, ein aufstrebendes Gebiet, das darauf abzielt, neue Lebensformen zu entwerfen und zu bauen, die nützliche Funktionen erfüllen können. Riesige Genomstudien des Ozeans haben ergeben, dass das Rhodopsin-System überraschend weit verbreitet ist. Die Tatsache, dass ein einziger Gentransfer zu einer völlig neuen Funktionalität führen kann, erklärt die Verbreitung dieses genetischen Moduls. Tatsächlich ist dieser Modultausch für Mikroben eher die Regel als die Ausnahme. In der Mikrobiologie entsteht ein neues Paradigma: [Mikroorganismen] sind viel flüssiger, als wir dachten, sagt Ford Doolittle , Kanada Forschungslehrstuhl für vergleichende Genomik an der DalhousieUniversity in Nova Scotia.
Diese Erkenntnisse und andere Forschungen zu Proteorhodopsinen könnten Bioingenieuren ein neues Werkzeug zum Basteln an die Hand geben. Ein im letzten Monat veröffentlichtes Papier von Jan Liphardt und Kollegen von der University of California, Berkeley, zeigten, dass E coli Mit einer Proteorhodopsin-Pumpe ausgestattet, können sie leicht zwischen Energiequellen wechseln: Wenn Bakterien ihre reguläre Energieversorgung aushungern, verwenden sie Lichtenergie, um ihren Flagellenmotor anzutreiben, einen rotierenden Schwanz, mit dem Bakterien schwimmen. Je mehr Licht vorhanden ist, desto schneller läuft der Motor.
Rhodopsin-Pumpen könnten schließlich in die Mikroben eingebaut werden, die üblicherweise zur Herstellung von Medikamenten und anderen Chemikalien verwendet werden. Diesen Bakterienfabriken geht manchmal die Energie aus. Mit diesen lichtbetriebenen Protonenpumpen können Bakterien durch Licht angeregt werden, um ihre Ausbeute an Metaboliten oder pharmakologisch aktiven Substanzen zu erhöhen, sagt John L. Spudich , Professor für Mikrobiologie und Molekulargenetik an der University of Texas Medical School in Houston. Ein zellulärer Energieschub könnte beim neuesten Trend in der Bakterienproduktion besonders nützlich sein: Mikroben zur Herstellung von Biokraftstoffen zu entwickeln.
Es ist so, als würde man ein Hybridauto entwickeln, sagt MIT's Verlängern . Anstatt Gas durch in einer Batterie gespeicherte Energie zu ergänzen, können Zellen ihren Energiestoffwechsel mit Licht ergänzen.