ביולוג דן מסלול מטבולי סינתטי זה מתקן פחמן דו חמצני וביולוגיה סינתטית

פגישה עם רוני קובן | אורלי וילנאי (יוני 2019).

Anonim

מסלול מטבולי סינתטי שפותח על ידי טוביאס ארב ועמיתיו במכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה של כדור הארץ במרבורג, ממיר CO2 מהאוויר לחומר אורגני ביעילות רבה יותר מהצמחים המסוגלים לעבור פוטוסינתזה. שאלנו את החוקר מה המשמעות של תהליך זה יכול להיות עבור הגנה על האקלים, דנו המשוכות צוות המחקר היה צריך להתגבר על מנת להשיג את מטרתם, והסתכל על נקודות מבט חדשות כי ביולוגיה סינתטית נפתח.

האם מסלול מטבולי סינתטי זה מתקן CO2 עכשיו מייצגים אמצעי יעיל של בלום שינוי האקלים?

ראשית, אנו שואפים להבין את העקרונות הבסיסיים ביולוגי כימי של איך CO2 בצורת גז ניתן להמיר למולקולות אורגניות. המוטיבציה העיקרית שלנו היא לא לעצור את שינוי האקלים. אנו מבקשים לפתח CO2 באטמוספירה כמקור פחמן לעתיד בשיטות ביולוגיות. הפקת תהליך נייטרלי CO2 או אפילו אחד מסיר CO2 מן האטמוספירה ויש לו השפעה חיובית על האקלים תהיה השפעה משנית פנטסטי.

אני עדיין מאמין שיש דרכים רבות לעצור את שינויי האקלים. הפשוט ביותר מתחיל עם חיסכון באנרגיה כל יום. אני גם חושב שאנחנו יכולים לנצל ולשפר את הביולוגיה של קיבוע CO2. מסלולים מטבוליים מעצב, אשר צורכים פחות אנרגיה לכל מולקולה CO2 להמיר או לתקן CO2 מן האטמוספירה מהר יותר, ללא ספק מייצגים גישה מעניינת לייצור ביוטכנולוגיה מבוססי CO2.

כמה קרוב ליישום אתה עם התהליך כרגע?

העבודה שלנו היא עדיין מחקר בסיסי טהור. הצלחנו ליצור תהליך יסודי של החיים - המרת CO2 לחומר אורגני - במבחנה בפעם הראשונה אי פעם. אנחנו למעשה הפיק איבר מטבולית במבחנה. עם זאת, השתלת זה איבר מטבולית לתוך אורגניזמים חיים מייצג אתגר אחר לחלוטין.

מדוע השתלה לתאים חיים מציבה אתגר שכזה?

אין אנו מסוגלים לחזות כיצד מחזורנו, המורכב מ -17 תגובות, יתנהג בתא שבו מתרחשות בו זמנית 3, 000 תגובות שונות. השתלה מוצלחת יהיה בבירור לקחת הרבה זמן. מקס פלאנק החברה מספקת לי קבוצה שלי עם הזדמנות להתמקד בשלב הבא, מורכב אבל התוצאה היא רחוקה מלהיות בטוח. למרות החישובים שלנו מצביעים למעשה כי הנתיב החדש שלנו יכול לבצע בצורה יעילה יותר אנרגיה מאשר מסלולים מטבוליים טבעיים צמחים, היינו צריכים להוכיח את זה בניסויים.

מה היו ההיבטים הקשים ביותר בפיתוח מסלול מטבולי סינתטי?

הקושי הגדול ביותר לא היה להמציא את מסלול מטבולית על לוח הציור - זה לקח רק שבוע או שניים. אבל אז בילינו יותר משנתיים ביישום המעגל התיאורטי בניסויים. קודם כל, היינו צריכים למצוא את כל המרכיבים הביולוגיים של המחזור, האנזימים, ולהביא אותם יחד. היינו צריכים לזהות קומץ מועמדים פוטנציאליים מתוך למעלה מ -50 מיליון גנים ידועים ו -40, 000 אנזימים ולבדוק אותם בנפרד ובאינטראקציה עם רכיבים אחרים.

האם היו מכשולים כלשהם שלא יכולתם להתקדם בעבר?

לא הצלחנו להניע את המחזור במשך תקופה ארוכה. הבעיה היתה כי אנזים בתחילה עבד רק עם סוכן כימי - תרכובת ברזל כדי להיות מדויק - מה שגרם אנזימים אחרים flocculate, ובכך להסיר אותם מן הפתרון. תחילה עלינו להמיר אנזים זה כדי להשתמש בו כסוכן חמצן התואם לשותפים אחרים.

אילו בעיות אחרות נתקלת בדרך?

מכשול עיקרי נוסף היה שהמחזור רק עבד לאט בהתחלה ונסוג במהירות. זה היה בגלל יותר מדי שגיאות תגובה. בסופו של דבר מצאנו מה שנראה במבט ראשון פתרון לא שגרתי. אנחנו פשוט הוסיף עוד אנזימים למחזור. המשימה של אלה אנזימים נוספים היה רק ​​כדי לתקן את טעויות התגובה בתוך המחזור. כמו ביולוגים, יש לנו בבירור שילם מעט מדי תשומת לב אלה מטבולי מתקנת לולאות אבל הם גם נראה חשוב מאוד בחילוף החומרים הטבעי.

הגישה הסינתטית עדיין חדשה יחסית בביולוגיה. כיצד גישה זו שונה מזו שבדיסציפלינות ביולוגיות אחרות?

שיטה סינתטית זו עדיין נותרה בלתי רגילה עבורנו בתור ביולוגים. אנחנו רגילים לקחת מערכות ביולוגיות בנפרד ולנתח אותם אבל לא לבנות חדשים מאפס. היינו צריכים למצוא את דרכנו לאט ובכמה שלבים, כי כמעט לא היו לנו כללים לעיצוב של מערכות סינתטיות מראש. לדוגמה, ראשית עלינו לגלות אילו אנזימים תואמים ואילו גורמים עלינו לקחת בחשבון בעת ​​יצירת מערכת ביולוגית מורכבת. הטבע עשוי להפריד תהליכים תאיים במיטוכונדריה, ריבוזומים ואברונים אחרים, משום שהם חייבים להתרחש בסביבות שונות ואינם מתיישבים זה עם זה. אנחנו עדיין צריכים לקבוע מתי הזמן הטוב ביותר הוא בדיוק להפריד תגובות ביוכימיות אחד מהשני.

ביולוגיה סינתטית הוא ביקר לעתים קרובות על המבקשים ליצור חיים מלאכותיים. אבל האם העבודה שלך גם מראה שזה לא בדרך כלל על זה?

אנחנו לא רוצים לשחק בהיותנו אלוהים. יצירת תא מלאכותי, חי עדיין רחוק מאוד לדעתי. ראשית למידה מחדש לתכנת חיים בודדים תהליכים היא מטרה מציאותית יותר, וזה מה שאנחנו מנסים לעשות ברשת MaxSynBio מקס פלנק של החברה. זה יהיה פנטסטי, למשל, אם היינו מסוגלים לפתח מחזור ייצור ביולוגי שתוקן ומתמיד. מערכות ביולוגיות לעיתים קרובות לעבוד הרבה יותר ביעילות ובתנאים מתונים יותר מאשר אלה כימיים טהורים. על ידי המבקשים ליצור מחדש מערכות כאלה, אנחנו באים עם רעיונות חדשים, כי אנחנו רואים הרבה אנזימים בעבודה.

באילו תחומים יכול הביולוגיה הסינתטית להיות שימושית במיוחד?

אני לא חושב שאנחנו יכולים אפילו להעריך את הפוטנציאל האמיתי של ביולוגיה סינתטית. במובן זה, אנחנו אולי צריכים לקחת להוביל מן הכימיה אשר התפתח בהדרגה מ להיות אנליטי כדי משמעת סינתטית במהלך המאה ה -19. טרנספורמציה זו סללה את הדרך לחומרים חדשים לחלוטין ולתרופות. אני בטוח בביולוגיה סינתטית יכול להשיג הישגים דומים, אבל פיתוח כזה לוקח זמן ואנחנו חייבים קודם להבין את העקרונות הבסיסיים של איך לבנות מערכות ביולוגיות מורכבות.

מה עדיין צריך להתגבר על המכשולים העיקריים?

מערכות ביולוגיות הן בדרך כלל מורכבות מאוד וקשורות מאוד, מה שהופך אותן לשכפול ולבנייתן של קשיים חדשים. אנזים הוא לא רק biocatalyst המאפשר תגובה כימית, אבל הוא גם קשור ישירות למוצרים כימיים שלה כי המוצר שולט האנזים. ברגע מספיק חומר הופק, זה חוסם את הזרז. במובן זה, תפקוד וחילופי מידע מקושרים לעיתים קרובות במערכות ביולוגיות.

האם למערכות הביולוגיות יש תכונות מיוחדות אחרות?

מערכות ביולוגיות שונות ממערכות טכניות, שכן הן מסוגלות להתאים ולהתפתח. עם זאת, זה גם אומר כי מערכות ביולוגיות אינן מושלמות. זה רק בגלל אנזימים לעשות שגיאות ו catalyze משנית התגובות שיש להם את ההזדמנות לפתח פונקציות חדשות. זה קצת כמו לקחת את התור הלא נכון על האופניים שלך פעם אחת ולגלות קיצור הביתה. בדיוק באותו אופן, אנזימים גם לפתח מסלולים חדשים משופרת על ידי ביצוע טעויות.

כדי להפוך את הביולוגיה לסינתטית, עלינו אפוא להבין כיצד לשלב חוסר שלמות, אבולוציה ומורכבות במבנה המערכות הביולוגיות. נדרש מחקר בסיסי הרבה יותר כדי להבין את הכללים הבסיסיים.

menu
menu