Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Письма молодого биолога

Я получил эту записку от Кори Тобина несколько месяцев назад. Это была часть цепочки электронных писем, которую начал наш общий друг Мак Коуэлл. Мак сказал мне, что Кори работал над интересным биологическим проектом, который начался в его квартире, и теперь процветал в пространстве LA Biohackers. Я должен был знать больше.

В предыдущем посте я упоминал проект Кори о различных типах любителей, которые переопределяют и переосмысливают гражданскую науку и исследования.

Вот Кори:

9 сентября Кори Тобин 9/9, 1:54

Хорошо, я не хочу делать какие-либо предположения о ваших знаниях в области био / химии, поэтому я просто дам вам свой типичный пример, начиная с основ. Не обижайтесь, если вы уже знаете это. В любом случае, вот оно ...

Все живые организмы нуждаются в азоте для образования белков. Азота довольно много в атмосфере (78%), но он находится в форме N2, который является очень стабильной молекулой, поэтому его непосредственное использование практически невозможно. Люди получают немного азота из растительных белков или больше из мяса, которое, пока мясо было еще живым, получало его от поедания растений. Большинство растений получают азот из почвы в форме аммония, нитратов, свободных аминокислот или, в меньшей степени, нитритов. Эти соединения в основном являются результатом других разлагающихся организмов. Но откуда он взялся? В какой-то момент кто-то должен был получить его из атмосферы, иначе это приведет к чистой потере, поскольку эти азотсодержащие соединения вымываются в океан или превращаются в газообразный азот и возвращаются в атмосферу.

До того, как люди начали вмешиваться, единственным наземным источником азота (пока я буду игнорировать океан) были корневые клубеньки у некоторых видов растений.В этих клубеньках живут бактерии, которые превращают N2 (газообразный азот) из атмосферы в NH3 (аммоний), который растение может легко использовать. Это симбиотические отношения, когда растение обеспечивает уютную среду для бактерий, а также углеводов от фотосинтеза, в то время как бактерии производят аммиак, который быстро превращается в аминокислоты. Причиной образования клубеньков является то, что бактериальные ферменты, которые осуществляют реакцию N2 ==> NH3, называемые «нитрогеназы», ​​отравляются кислородом. Узелок обеспечивает среду, относительно свободную от O2, поэтому ферменты могут работать эффективно.

Что касается родственной касательной, одним из основных ингредиентов удобрения является аммиачная селитра. Это производится с помощью процесса Хабера, где природный газ используется для нагрева газообразного N2 до высоких температур в присутствии катализатора для получения различных азотных соединений. Предположительно, около 2% общего энергопотребления в мире используется в этой единственной химической реакции, хотя мне еще предстоит найти надежные данные по этому вопросу.

В любом случае, фермеры опрыскивают этот материал на своих полях, чтобы повысить урожайность, но большая его часть уходит в отходы, когда стекает в водные пути, вызывая цветение токсичных водорослей и в конечном итоге в море, где это создает больше проблем для жизни океана. Вернуться к истории ...

Для работы этих бактерий и их нитрогеназ им нужна бескислородная среда. Таким образом, вы не можете просто взять бактерии и покрыть ими растение и надеяться, что оно сработает.

Только некоторые виды растений имеют узелки для поддержания азотфиксации. И, к сожалению, растения, которые люди выращивают в наибольшем количестве (кукуруза, рис, пшеница), не имеют клубеньков. В течение некоторого времени люди без особой удачи пытались внедрить корневые узелки в ненодулирующие виды. Оказывается, это довольно сложное явление. В идеале вы могли бы сделать растение, производящее клубеньки, чтобы фермерам не приходилось выбрасывать столько удобрений повсюду, либо с помощью специального покрытия семян, либо путем генетической модификации. Но пока не повезло. Единственная вещь, которую я видел недавно, которая может быть многообещающей, - это компания - azotictechnologies.com. Я вроде знаю, над чем они работают, но мне еще предстоит увидеть какие-либо данные, свидетельствующие о том, что они могут заменить удобрения.

Один из возможных способов обойти эту проблему с узелками - создать азотазу, устойчивую к кислороду. Тогда вам не придется иметь дело с разработкой или созданием нодуляции. Вы могли бы представить, что если бы у вас была такая система, вы могли бы просто поместить ген прямо в растение, чтобы не было необходимости в бактериях, или возможно сделать покрытие семян, содержащее некоторые бактериальные споры, несущие этот ген, и т. Д. Что-то намного проще, чем сделать корневые клубеньки и менее загрязняющий и расточительный, чем удобрения.

Еще в 90-х годах в Германии был профессор Ортвин Мейер, который обнаружил бактерии, которые якобы фиксировали азот в присутствии кислорода. Он и его команда на самом деле искали бактерии, которые уменьшали окись углерода и обнаружили эту нитрогеназу случайно. В Германии люди делают древесный уголь, закапывая дрова и поджигая землю, поэтому он подвергается пиролизу, изгоняя всевозможные неприятные газы и оставляя после себя древесный уголь. Мейер и др. Взяли несколько образцов почвы из одной из этих «куч» угля, из-за отсутствия лучшего слова. Одна из бактерий, которую он выделил из почвы, потребляла угарный газ, но также фиксировала азот. Они назвали это Streptomyces thermoautotrophicus.

В какой-то момент все студенты и постдоки покинули лабораторию, и никто не занимался проектом по изучению функции нитрогеназы. Я связался со всеми, кто когда-либо работал над этим, и все они утверждали, что больше не имеют вида. Я им не верю, но это не имеет значения. Так что казалось, что вид был потерян. После того, как я получил побег от всех этих людей, я решил попытаться повторно изолировать вид сам. Вот где мне невероятно повезло. Я должен был купить лотерейный билет в этот день. Я говорил с одним из моих немецких друзей, Дирком, об этом проекте, пытаясь определить, совершил ли я какие-то культурные подделки, которые могли бы объяснить, почему эти ученые были трудными и хитрыми. Он сказал мне, что сосед его отца владеет «фабрикой» древесного угля в районе, где был изолирован S. thermoautotrophicus. Дирк позвонил ему, и оказалось, что этот парень владеет точной собственностью, где Мейер выделил этот вид. Итак, этот парень посылает мне образец почвы из одной из его кучи угля, чтобы я попытался повторно изолировать этот вид.

Это поднимает вопрос о том, как мне провести повторную изоляцию бактерий. Из литературы, которую я знал, основной подход заключался в том, чтобы поместить образец почвы в колбу, накрыть ее небольшим количеством воды, содержащей некоторые соли, минералы и другие микроэлементы, нагреть ее до 65 ° С и затем накачать газы, которые любит этот вид кушать. Он потребляет либо окись углерода, либо комбинацию водорода и углекислого газа. Так как работа с CO в моей квартире (все это было сделано в стиле DIY) не могла быть и речи, я выбрал H2 / CO2. Мой первоначальный проект включал в себя герметичную камеру роста с нагревательным элементом, водород, полученный при электролизе воды, и CO2, поступающий из канистры через некоторые трубки и клапаны, соединенные с камерой. Эта вещь была полной катастрофой, и я никогда не заставлял ее работать дольше пары дней, пока какая-то часть не стала слишком корродированной из-за высокой температуры, влажности и агрессивных газов.

Мой второй дизайн был сосредоточен вокруг пластикового кулера, который я взял у Target. Внутри находилась тепловая лампа, управляемая с помощью реле, и Arduino, который поддерживал мягкую температуру 65C. Образец почвы помещали в колбу с соответствующей смесью витаминов и минералов. Для генерации газов у ​​меня было 2 больших пластиковых стаканчика, 1 для водорода и 1 для углекислого газа. Для получения водорода я поместил алюминиевую пудру в чашку, а затем вылил в 1 М NaOH. Чтобы произвести углекислый газ, я пошел в детский сад, смешанный с пищевой содой и уксусом. Поэтому я выливал жидкости в порошки, а затем быстро закрывал крышку охладителя, чтобы задержать газы. Я делал бы это два раза в день, чтобы поддерживать концентрацию газов. В конце концов у меня появилось несколько бактерий, которые соответствовали описанию оригинальных видов. Таким образом, я выделил то, что казалось первоначальными O2-толерантными азотфиксирующими бактериями.

Между тем, поскольку я публиковал все это на общедоступной вики, я привлек внимание нескольких других ученых, которые были заинтересованы в помощи. Наше сотрудничество сумело подтвердить, что эти бактерии действительно связывают азот. Мы сделали это, выращивая его в присутствии изотопного 15-N2, который является нерадиоактивным изотопом азота, который встречается в природе очень редко. Мы извлекли белки из бактерий и провели через масс-спектрометр. Массовые характеристики показали, что 15N был включен в белки, поэтому мы знаем, что он фиксирует азот. Мы также секвенировали геном этой бактерии, который оказался более сложным, чем первоначально планировалось, но в основном это делается. Теперь цель двоякая: 1) выяснить, какие гены кодируют нитрогеназу, и 2) определить, действительно ли нитрогеназа толерантна к O2. Первоначальные исследования этого вида были неубедительными, поэтому мы должны убедиться.

Прямо сейчас мы обращаемся к # 1 с помощью RNA-Seq, чтобы в основном измерить, какие гены включены, когда бактерии вынуждены фиксировать свой собственный азот (удалять аммиак из питательной среды). Таким образом, мы выращиваем один образец с аммиаком и один без, затем измеряем уровень экспрессии для всех генов (RNA-Seq), сравниваем 2 образца и видим, какие из них были обнаружены при удалении аммиака. Эти гены * должны * быть теми, которые вовлечены в путь нитрогеназы, но биология всегда грязная и сложная, поэтому, вероятно, она не будет столь убедительной. В конце концов нам придется делать нокауты, где мы удаляем гены, которые, по нашему мнению, участвуют, и проверяем, убивает ли это функцию азотазы, чтобы быть на 100% уверенным.

Что касается # 2, то сейчас он находится на заднем плане, потому что тестирование без # 1 будет очень трудным.

Моя конечная цель - иметь возможность взять набор генов из Streptomyces thermoautotrophicus и поместить их в другой вид, либо в растение, либо в водоросль, либо в нечто иное, чтобы этот вид также связывал свой собственный азот. Это было бы очень полезно не только в сельскохозяйственном секторе, но также и в промышленном производстве биотоплива из водорослей.

Так что, если вы нервничали и пропустили до конца, цель состоит в том, чтобы спроектировать биологические системы, чтобы не нуждаться в азотных удобрениях. Мы все еще далеки от этой цели, но добиваемся устойчивого прогресса.

Если у вас есть какие-либо вопросы, дайте мне знать. Я всегда рад говорить о науке. Извините за новеллу.

Кори - прекрасный пример профессионала, который использует новые любительские инструменты и модели. Я подозреваю, что эта тенденция будет только расти: такие проекты, как Cory's, будут успешными на Kickstarter или Experiment, биопространства (новый, только что открывшийся по соседству с нами в Беркли) начнут выпускать чрезвычайно важные проекты, и, надеюсь, фонды, выделяющие гранты, поймут, что есть большие потенциал для посева большого количества этих недорогих любительских проектов с той или иной формой микрогранта, и еще больше постдоков, таких как Кори, начнут свои собственные проекты в стиле создателя. Это моя надежда, по крайней мере.

Поделиться

Оставить комментарий