211service.com
Inžineriniai mikrobų pasauliai
Šeimos praradimas sustiprino Cullen Buie susidomėjimą bakterijomis ir jų panaudojimą. 2018 m. balandžio 25 d
Cody O'Laughlinas
Iš daugybės pasaulyje esančių bakterijų rūšių (apytikriai svyruoja nuo milijonų iki milijardų, priklausomai nuo to, ko paklausite), mokslininkai nustatė ir į katalogą įtraukė tik apie 20 000. Ir tarp tų rūšių mažiau nei 1 procentas buvo apdorotas taip, kad galėtų padėti klestinčios genų inžinerijos srities mokslininkams pritaikyti jas daugybei žmonių tikslų.
Tik tiek daug mes nežinome, sako Cullen Buie, neseniai dirbęs Esther ir Harold E. Edgerton karjeros plėtros mechanikos inžinerijos profesorius. Visi darbai atliekami 1 proc. 1 proc. Mes tiesiog braižome paviršių.
Tačiau potencialas yra didžiulis: pakeitę esamų bakterijų genetinį kodą, tyrėjai netolimoje ateityje gali sukurti mikroorganizmus, galinčius gydyti ligas, gaminti trąšas pagal poreikį ar išvalyti išsiliejusius naftos produktus.
Visa tai yra motyvacija bandyti panaudoti mikrobų pasaulį, o žmonės supranta: „Žmogau, mus riboja mūsų įrankiai“, – sako jis. Taigi Buie naudoja savo mikrofluidikos žinias kurdamas įrenginius, kurie, jo manymu, tikrai gali atskleisti įvairias problemas, į kurias jie anksčiau net negalėjo pažvelgti. MIT jis vadovauja Energetikos ir mikrosistemų inovacijų laboratorijai (LEMI), kuri daugiausia dėmesio skiria elektrochemijos, mikrofluidikos ir kuro elementų tyrimams, kurių didžioji dalis yra skirta rasti naujų būdų manipuliuoti bakterijomis. Jis taip pat įkūrė startuolį, kuris kuria mikrofluidinį įrankį, kuris galėtų žymiai pagreitinti genų inžinerijos tempą.
Oho, tai tobula
Buie iš pradžių nesiėmė tirti bakterijų. Paauglystėje jis ketino užsiimti medicina, sekdamas vyresniosios sesers Simone pėdomis. Tačiau dalyvavimas inžinierių stovykloje prieš koledžą atvedė jį į mechanikos inžinerijos specialybę Ohajo valstijoje. Tada, kaip Nacionalinio mokslo fondo absolventas, Stanfordo mokslinis bendradarbis, jį patraukė atsinaujinanti energija ir mikro- bei nanotechnologijos. Taigi jis prisijungė prie mechanikos inžinerijos profesoriaus Juano Santiago, kuris ką tik gavo finansavimą projektui, kuriame buvo sukurti nanoskalės siurbliai transporto priemonių kuro elementams, laboratorijoje. Aš sakiau: „Oho, tai tobula“. Tai alternatyvi energija ir mikroskalai vienu metu“, – sako jis.
Santjago laikais Buie daugiausia dėmesio skyrė mikrofluidiniams elektroosmosiniams siurbliams, kurie naudoja elektrinius laukus slėgiui ir srautui reguliuoti. Savo disertacijoje jis ištyrė jų naudojimą žemos temperatūros kuro elementuose. Kalifornijos Berklio universiteto doktorantūros stažuotėje Buie atkreipė dėmesį į mikrobų kuro elementus, kurie dažnai naudojami biojutikliuose ir nuotekų valymo įrenginiuose. Mikrobų kuro elementuose yra bakterijų, pritvirtintų prie elektrodo. Kai organinės medžiagos patenka iš tokių šaltinių kaip nuotekos, bakterijos suskaido maistą, todėl elektronai gali būti panaudoti elektros srovei sukurti.
Paviršiaus savybės lemia, ar užspaustu mikrofluidiniu kanalu tekančios bakterijos yra imobilizuojamos tam tikrų elektrinių laukų. Cullen Buie sutikimas
Kitais metais bakterijų darbas tapo asmeniniu. 2010 m., netrukus po to, kai jis įstojo į MIT fakultetą kaip mechanikos inžinerijos docentas, jis sulaukė telefono skambučio. Jo sesuo Simone anksčiau tą dieną buvo paguldyta į ligoninę Ohajo valstijoje dėl karščiavimo, greito širdies plakimo ir skausmo. Po kelių valandų ji mirė nuo sepsio, būklės, kuri atsiranda, kai organizmas stengiasi kovoti su įprastomis bakterijomis, pvz., Staphylococcus aureus (staph) ir Streptokokai sukelti uždegimą, sukeliantį organų nepakankamumą.
Buie buvo nuniokotas. Išgyvendamas sielvartą, jis pradėjo galvoti apie savo sesers mirtį iš mokslinės perspektyvos. Mane šiek tiek šokiravo, kad žmonės vis dar mirė nuo bakterinių infekcijų, sako jis. Jau dirbau su mikrobiniais kuro elementais, taigi, kai tai atsitiko, tai sukėlė mano smalsumą apie bakterijas ir įvairius dalykus, kuriuos jos gali padaryti, tiek gerų, tiek blogų.
Tuo metu LEMI dar tik pradėjo veikti, o pirmieji jos studentai ir doktorantai pasuko skirtingais mokslinių tyrimų keliais. Vienas projektas buvo skirtas naujiems būdams gaminti superhidrofilinius (vandenį sugeriančius) ir superhidrofobinius (vandenį atstumiančius) paviršius – metodus, kurie gali būti naudingi laivyno inžinerijoje, o kitas – naujo tipo baterijų, naudojančių skysčių dinamiką, kad išlaikytų savo komponentus, sukūrimą. atskiras.
Tik tiek daug ko mes nežinome. Visi darbai atliekami 1 proc. 1 proc. Mes tiesiog braižome paviršių.
Tuo tarpu kiti LEMI tyrėjai daugiausia dėmesio skyrė mikrofluidinių įrankių kūrimui, kurie naudotų procesą, vadinamą dielektroforeze, kad rūšiuotų bakterijas pagal jų ląstelių elektrines savybes, įskaitant poliarizaciją, krūvio susidarymą jų paviršiuje. Šiam projektui Buie komanda naudojo maždaug penkių žmogaus plaukų pločio mikrofluidinius kanalus, kurių viduryje buvo maždaug dešimtadalio tokio dydžio kliūties taškai. Jie išstūmė ląsteles Pseudomonas aeruginosa bakterijų per kanalus ir taikomus elektrinius laukus. Padidinus įtampą, kanalu slydo įvairios bakterijų padermės, o kitos sustojo ties kliūtis , kur elektrinis laukas buvo intensyviausias.
Tiksliai, kur ląstelė sustojo ir koks intensyvus tuo metu buvo elektrinis laukas, tyrėjams parodė, koks poliarizuotas buvo bakterijos paviršius, o tai rodo jos patogeniškumą. Daugiau patogeninių padermių Pseudomonas aeruginosa yra labiau linkę poliarizuotis esant žemesnei įtampai, o tai paskatino Buie manyti, kad tyrimas galėtų būti pritaikytas siekiant laiku diagnozuoti bakterines ligas, tokias kaip sepsis, kad būtų išgelbėtos gyvybės.
Tačiau jau buvo daugiau praktinių metodų, leidžiančių nustatyti, ar bakterijos yra patogeniškos. Dabar Buie daugiausia dėmesio skiria dielektroforezės naudojimui, kad genetinė informacija būtų sujungta su fizinėmis bakterijų savybėmis. Pavyzdžiui, jei genai yra išstumti iš mažai ištirtos bakterijų padermės, bet kokie poliarizacijos pokyčiai gali suteikti informacijos apie tai, kokia tų genų nauda arba kokią ląstelės sritį jie gali paveikti, sako jis.
Iš išorės į vidų
Iki 2013 m. Buie atkreipė dėmesį į būdą, kaip žymiai pagreitinti genų inžineriją. Tyrėjai jau seniai į ląsteles įterpdavo įvairių rūšių DNR, kad jos, tarkime, kovotų su patogenais arba metabolizuotų anglies dioksidą, kad sušvelnintų klimato kaitą. Tačiau svetimos DNR pristatymo įrankiai nebuvo tobulinami taip greitai, kaip manipuliuojamų ląstelių panaudojimo strategijos, jis sužinojo susitikęs su Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūros atstovu pokalbyje apie sintetinę biologiją.
Cody O'Laughlinas
Kad DNR patektų į ląsteles, daugelis tyrėjų remiasi elektroporacija – metodu, kai tiksliai sureguliuoti elektriniai impulsai laikinai atveria poras ląstelių membranose. Tačiau šis procesas reikalauja, kad mokslininkai žinotų tikslų elektrinį lauką, kuris atvers poras neužmušdamas ląstelės. Norint rasti tam tikrą lauką ir tinkamą auginimo terpę bet kuriai bakterijų padermei, gali prireikti metų. Ir kai tai bus padaryta, kiekvieno mėginio paruošimo, pipetavimo ir elektrinio suspaudimo procesas yra labai lėtas. Buie apskaičiavo, kad vienas kvalifikuotas tyrėjas gali elektroporuoti tik nuo 20 iki 50 mėginių per valandą, o tai žymiai sumažina eksperimentų, kuriuos gali atlikti laboratorija, skaičių.
Taigi, pasinaudojęs DARPA dotacija, Buie pradėjo kurti greitesnį ląstelių elektroporacijos būdą, o galiausiai jis taip pat imsis proceso automatizavimo. Jo komanda, kurią sudarė LEMI postdocs Paulo Garcia ir Jeffrey Moran, taip pat absolventas Zhifei Ge, PhD '16, naudojo sąranką, panašią į ankstesnių Buie dielektroforezės eksperimentų, tačiau jie pridėjo prie mikrofluidinio kanalo fluorescencinį žymeklį, kuris švytėtų. esant DNR. Kanalai buvo užpildyti bakterijomis, o padidėjus elektriniams laukams aplink butelio kaklą, atsivėrė membranos poros, leidžiančios žymeklį. Patekęs į vidų, jis sureagavo su bakterijų DNR ir privertė ląstelę švytėti, suteikdamas matomą elektrinio lauko, reikalingo tam tikros padermės poroms atidaryti, indikatorių.
Kai mokslininkai tai žino, jie vis tiek susiduria su sudėtinga užduotimi rankiniu būdu suplėšyti kiekvieną ląstelę, kad įterptų norimą DNR. Taigi Buie, -Garcia ir LEMI absolventas mokslinių tyrimų asistentas Rameech -McCormack, SM '17, taip pat sukūrė pipetę, kuri veikia teisingą elektrinį lauką, kai ląstelės teka elektra įkrautais mikroskysčių kanalais, įtaisytais antgalyje. Pradėdami savo veiklą, vadinamą Kytopen, Buie ir Garcia (kuris eina Kytopen generalinio direktoriaus pareigas) kuria automatizuotą sistemą, aprūpintą 96 ar daugiau vienu metu elektroporuojančių pipečių, kurių kiekviena gali paimti vieną mėginį kas 8–10 sekundžių. Suteikdamas galimybę DNR į bakterijų ląsteles įterpti iki 10 000 kartų greičiau, šis prietaisas leistų tyrėjams greitai išnaudoti milijonus genų inžinerijos eksperimento variantų. („Kytopen“ yra viena iš pirmųjų įmonių, remiamų „The Engine“, MIT rizikos fondo/akceleratoriaus, skirto ankstyvosios stadijos startuoliams, dirbantiems su technologijomis, turinčiomis didelį potencialą, bet ilgas plėtros terminas. Žr. Investavimas į technologijas, kurių verta laukti, 2018 m. kovo/balandžio mėn.)
Kitas Buie žingsnis yra išbandyti savo elektroporacijos prietaisą su organizmais, kurių mokslininkai dar nesugeba genetiškai modifikuoti, ir jis pradeda nuo bakterijų burnoje. Forsyth institutas, ne pelno siekiantis biotechnologijų tyrimų institutas, išskyrė šimtus žmogaus burnos bakterijų rūšių. Buie bendradarbiavo su Forsyth'u Christopheriu Johnstonu, mikrobiologijos tyrinėtoju, kuris kuria būdus, kaip išvengti ląstelių gynybos sistemų, kurios atmeta svetimą DNR. Kartu jie siekia, kad bent 200 bakterijų padermių būtų prieinamos genų inžinerijai.
Jei jiems pavyks žymiai išplėsti organizmų, kuriais mokslininkai gali manipuliuoti, skaičių, tyrimai vieną dieną galėtų būti panaudoti bakterijoms sukurti svarbioms sveikatos priežiūros, energetikos, žemės ūkio ir aplinkos mokslų srityse.
Buie tikisi, kad jo darbas suteiks galimybę kitiems tyrėjams spręsti sunkesnius klausimus. Žmonės nustos sakyti „Aš negaliu dirbti su ta klaida“, nes jie negali atlikti genetikos, sako jis. Jie sakys: „Kodėl mums to nepabandžius?“