I ricercatori della Princeton University hanno creato un modo nuovo e migliorato per controllare in modo più preciso i batteri geneticamente modificati:semplicemente accendendo e spegnendo le luci. Lavorando in E. coli , l'organismo cavallo di battaglia per gli scienziati per ingegnerizzare il metabolismo, i ricercatori hanno sviluppato un sistema per controllare uno dei circuiti genetici chiave necessari per trasformare i batteri in fabbriche chimiche che producono composti preziosi come l'isobutanolo del biocarburante.

"Tutto ciò di cui hai bisogno è l'illuminazione, " disse José Avalos, un assistente professore di ingegneria chimica e biologica all'Università di Princeton e all'Andlinger Center for Energy and the Environment", e autore senior dei risultati, pubblicato in Natura chimica biologia . "Ci sono molti potenziali vantaggi, uno di questi è la capacità di sintonizzare e invertire facilmente il segnale di induzione."

Il nuovo lavoro si basa sul lavoro precedente di Avalos e dei suoi colleghi, descritto in Natura nel 2018, in cui hanno progettato del lievito per produrre sostanze chimiche in presenza o assenza di luce. E. coli , però, è ancora più ampiamente utilizzato da scienziati e ingegneri del lievito.

Avalos e i suoi colleghi non sono i primi a creare E. coli la cui espressione genica è controllata dalla luce. Ma sono i primi a usare la luce per controllare la produzione di sostanze chimiche. Sono anche i primi ad usare la luce per controllare l'operone lac, un gruppo di geni che è più comunemente utilizzato per l'induzione chimica in E. coli . "Il lac operon è il circuito gold standard che le persone hanno usato per decenni, " Ha detto Avalos. "Non è un eufemismo dire che sfruttare l'operone lac è uno di quei risultati chiave che hanno permesso l'esplosione della biotecnologia".

Quando gli scienziati ingegnere E. coli produrre una proteina o una sostanza chimica attraverso l'operone lac, in genere rendono quella funzione inducibile piuttosto che qualcosa che si verifica continuamente. Per di qua, la coltura batterica può crescere normalmente finché gli scienziati non sono pronti a utilizzarla. Generalmente, i ricercatori si affidano all'aggiunta di una sostanza chimica per innescare l'espressione del tratto geneticamente modificato in questione. Ma questo metodo ha alcuni gravi limiti. "Se aggiungi una sostanza chimica, questo è tutto, ti sei impegnato, " Ha detto Avalos. "È fatto e non puoi rimuovere facilmente la sostanza chimica, quindi devi solo aspettare e vedere se hai aggiunto la dose giusta."

Invece di fare affidamento su un induttore chimico, I batteri di nuova concezione di Avalos e dei suoi colleghi sfruttano l'assenza di luce per indurre reazioni che portano alla produzione di sostanze chimiche o proteine. Ciò consente ai ricercatori di rallentare o arrestare la reazione semplicemente accendendo la luce. La luce consente anche loro di controllare dove si verifica la reazione. In una dimostrazione, Avalos e i suoi colleghi hanno oscurato solo alcune sezioni della loro capsula di Petri batterica con uno stencil di una tigre, creando una stampa tigre fluorescente attraverso la reazione dei batteri attivati ​​selettivamente. "Ancora, è qualcosa che non potresti fare facilmente con una sostanza chimica, perché non saresti in grado di controllare la diffusione della sostanza chimica con la stessa facilità, " disse Avalos. Luce, a differenza dei prodotti chimici, è anche relativamente economico, Aggiunge, quindi utilizzarlo ridurrà i costi e probabilmente l'impronta di carbonio dei processi.

OptoLac, Il nuovo metodo optogenetico, o basato sulla luce, di Avalos e dei suoi colleghi, ora offre agli scienziati la capacità di sfruttare la forza delle tecnologie preesistenti dell'operone lac con maggiore precisione e controllo.

"Il lavoro è stato ben eseguito e aggiunge un nuovo strumento alla cassetta degli attrezzi degli attivatori dell'espressione genica optogenetica in E. coli , " disse Mustafa Khammash, professore di teoria del controllo e biologia dei sistemi all'ETH di Zurigo, che non è stato coinvolto nella ricerca. "L'espressione genica optogenetica offre la possibilità di utilizzare la luce invece di piccole molecole per controllare una grande varietà di processi biologici con il minimo sforzo, e gli autori lo illustrano in modo convincente dimostrando l'uso di OptoLAC per ottenere miglioramenti impressionanti nella produzione chimica e proteica in E. coli ."

E. coli è attualmente utilizzato per la produzione industriale di un'ampia gamma di prodotti chimici di base e speciali, da blocchi di plastica e fibre sintetiche, a prodotti chimici di fascia alta come pigmenti e fragranze. E. coli inoltre è spesso utilizzato dagli scienziati per comprendere meglio i principi di base del metabolismo, vie biosintetiche e non solo. Perciò, questa tecnologia potrebbe avere importanti implicazioni non solo in biotecnologia, ma anche nella ricerca di base, ha detto Avalos.

Avalos prevede di esplorare ulteriori applicazioni abilitate da OptoLAC, compresa la messa a punto di complesse vie metaboliche, migliorare la produzione di proteine ​​difficili da produrre e controllare altre interessanti funzioni batteriche. "In un senso, una grande parte della nostra motivazione era quella di rompere gli schemi del modo in cui le cose sono fatte ora, " ha detto Avalos. "Una domanda che continuiamo a porci è, 'Come possiamo farlo meglio?'"