211service.com
Inženierijas mikrobu pasaules
Ģimenes zaudējums pastiprināja Kalena Buija interesi par baktērijām un to izmantošanu uz labu. 2018. gada 25. aprīlis
Kodijs O'Lauglins
No pasaules neskaitāmajām baktēriju sugām (aplēses svārstās no miljoniem līdz miljardiem atkarībā no tā, kam jautāt) zinātnieki ir identificējuši un kataloģizējuši tikai aptuveni 20 000. Un no šīm sugām mazāk nekā 1 procents ir pakļauts tādai manipulācijai, kas varētu palīdzēt pētniekiem plaukstošajos gēnu inženierijas jomā pielāgot tos neskaitāmiem cilvēku mērķiem.
Mēs vienkārši nezinām tik daudz, saka Kalens Buijs, nesen amatā ieceltā Estera un Harolda E. Edgertonu karjeras attīstības profesore mašīnbūves jomā. Viss darbs tiek veikts par 1 procentu no 1 procenta. Mēs burtiski tikai skrāpējam virsmu.
Taču potenciāls ir milzīgs: mainot esošo baktēriju ģenētisko kodu, pētnieki ne tik tālā nākotnē var radīt mikroorganismus, kas var veikt tādas darbības kā slimību ārstēšana, mēslošanas līdzekļu izveidošana pēc pieprasījuma vai naftas noplūdes likvidēšana.
Visa šī motivācija ir mēģināt izmantot mikrobu pasauli, un cilvēki saprot: 'Cilvēk, mūs ierobežo mūsu rīki,' viņš saka. Tāpēc Buijs izmanto savas zināšanas mikrofluidikā, lai radītu ierīces, kuras, viņaprāt, patiešām var izgaismot visa veida problēmas, kuras viņi agrāk pat nevarēja apskatīt. MIT viņš vada Enerģētikas un mikrosistēmu inovāciju laboratoriju (LEMI), kas koncentrējas uz elektroķīmiju, mikrofluidiku un kurināmā elementu pētniecību, un lielākā daļa no tā ir vērsta uz jaunu veidu atrašanu, kā manipulēt ar baktērijām. Viņš ir arī līdzdibinājis jaunuzņēmumu, kas izstrādā mikrofluidisku rīku, kas varētu ievērojami paātrināt gēnu inženierijas tempu.
Oho, šis ir ideāls
Buie sākotnēji neplānoja pētīt baktērijas. Pusaudža gados viņš bija iecerējis nodarboties ar medicīnu, sekojot vecākās māsas Simonas pēdās. Bet, apmeklējot pirmskoledžas inženierzinātņu nometni, viņš Ohaio štatā ieguva mašīnbūves specialitāti. Pēc tam, būdams Nacionālā Zinātnes fonda absolvents pētnieks Stenfordā, viņš atklāja, ka viņu piesaistīja atjaunojamā enerģija un mikro- un nanotehnoloģijas. Tāpēc viņš pievienojās mašīnbūves profesora Huana Santjago laboratorijai, kurš tikko bija saņēmis finansējumu projektam, kurā tika uzbūvēti nanomēroga sūkņi transportlīdzekļu degvielas elementiem. Es domāju: 'Oho, tas ir ideāli.' Tā ir alternatīvā enerģija un mikromērogi uzreiz, ”viņš saka.
Santjago laikā Buie koncentrējās uz mikrofluidiskiem elektroosmotiskiem sūkņiem, kas izmanto elektriskos laukus, lai regulētu spiedienu un plūsmas ātrumu. Savā disertācijā viņš pētīja to izmantošanu zemas temperatūras degvielas šūnās. Pēcdoktorantūras stipendijā Kalifornijas universitātē Bērklijā Buijs pievērsa uzmanību mikrobu kurināmā šūnām, kuras bieži izmanto biosensoros un notekūdeņu attīrīšanas iekārtās. Mikrobu degvielas šūnās ir baktērijas, kas pievienotas elektrodam. Saņemot organiskās vielas no tādiem avotiem kā notekūdeņi, baktērijas sadala pārtiku, ļaujot elektroniem izmantot elektrisko strāvu.
Virsmas īpašības nosaka, vai baktērijas, kas plūst caur saspiestu mikrofluidisko kanālu, tiek imobilizētas ar noteiktiem elektriskiem laukiem. Pieklājīgi no cullen buie
Nākamajā gadā baktēriju darbs kļuva personisks. 2010. gadā, neilgi pēc tam, kad viņš bija pievienojies MIT fakultātei kā mašīnbūves docents, viņš saņēma tālruņa zvanu. Viņa māsa Simona bija ievietota slimnīcā Ohaio štatā agrāk tajā pašā dienā ar niknu drudzi, ātru sirdsdarbību un sāpēm. Viņa nomira stundas vēlāk no sepses, stāvokļa, kas rodas, kad organisms mēģina cīnīties pret tādām izplatītām baktērijām kā Staphylococcus aureus (staph) un Streptokoki izraisīt iekaisumu, kas izraisa orgānu mazspēju.
Buie bija izpostīts. Pārdzīvojot savas bēdas, viņš sāka domāt par māsas nāvi no zinātniskā viedokļa. Viņš saka, ka man bija nedaudz šokējoši, ka cilvēki joprojām nomira no bakteriālām infekcijām. Es jau strādāju pie mikrobu kurināmā elementiem, un, kad tas notika, tas izraisīja manu ziņkāri par baktērijām un visām dažādajām lietām, ko tās var darīt, gan labo, gan sliktu.
Tajā laikā LEMI tikai sāka darboties, un tā pirmie studenti un pēcdoktoranti devās uz dažādiem pētniecības ceļiem. Viens projekts bija vērsts uz jauniem veidiem, kā izgatavot superhidrofilas (ūdeni absorbējošas) un superhidrofobas (ūdeni atgrūdošas) virsmas — metodes, kas varētu būt noderīgas flotes inženierijā, bet cits projekts koncentrējās uz jauna tipa akumulatoru projektēšanu, kas izmanto šķidruma dinamiku, lai saglabātu tās sastāvdaļas. atsevišķi.
Ir tikai tik daudz, ko mēs nezinām. Viss darbs tiek veikts par 1 procentu no 1 procenta. Mēs burtiski tikai skrāpējam virsmu.
Tikmēr citi LEMI pētnieki koncentrējās uz mikrofluidisko rīku izstrādi, kas izmantotu procesu, ko sauc par dielektroforēzi, lai šķirotu baktērijas atbilstoši to šūnu elektriskām īpašībām, tostarp polarizācijai, lādiņa uzkrāšanai uz to virsmas. Šim projektam Buie komanda izmantoja mikrofluidiskos kanālus, kas bija aptuveni piecu cilvēka matiņu platumā, un sašaurinājuma punkti vidū bija apmēram desmitā daļa no šī izmēra. Viņi spieda šūnas no Pseudomonas aeruginosa baktērijas caur kanāliem un pielietotajiem elektriskajiem laukiem. Palielinot spriegumu, pa kanālu slīdēja dažādi baktēriju celmi, bet citi apstājās pie sašaurinājums , kur elektriskais lauks bija visintensīvākais.
Tieši kur šūna apstājās un cik intensīvs bija elektriskais lauks tajā brīdī, pētniekiem parādīja, cik polarizēta bija baktērijas virsma, sniedzot norādes par tās patogenitāti. Vairāk patogēnu celmu Pseudomonas aeruginosa ir lielāka iespēja polarizēties pie zemākiem spriegumiem, kas lika Buijam domāt, ka pētījumu varētu izmantot, lai palīdzētu savlaicīgi diagnosticēt baktēriju apstākļus, piemēram, sepsi, lai glābtu dzīvības.
Tomēr jau pastāvēja praktiskākas metodes, lai noteiktu, vai baktērijas ir patogēnas. Tagad Buie koncentrējas uz dielektroforēzes izmantošanu, lai savienotu ģenētisko informāciju ar baktēriju fiziskajām īpašībām. Ja, piemēram, gēni tiek izsisti no maz pētīta baktēriju celma, visas no tā izrietošās polarizācijas izmaiņas var sniegt informāciju par to, kāda varētu būt šo gēnu lietderība vai kādu šūnas apgabalu tie varētu ietekmēt, viņš saka.
No ārpuses iekšā
Līdz 2013. gadam Buie bija pievērsis uzmanību tam, lai atrastu veidu, kā ievērojami paātrināt gēnu inženieriju. Pētnieki jau sen bija ievietojuši šūnās dažāda veida DNS, lai mēģinātu panākt, lai tās, piemēram, cīnītos ar patogēniem vai metabolizētu oglekļa dioksīdu, lai palīdzētu mazināt klimata pārmaiņas. Taču instrumenti svešās DNS piegādei neattīstījās tik ātri kā manipulēto šūnu izmantošanas stratēģijas, viņš uzzināja pēc tikšanās ar Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūras pārstāvi sarunā par sintētisko bioloģiju.
Kodijs O'Lauglins
Lai DNS iekļūtu šūnās, daudzi pētnieki paļaujas uz elektroporāciju - metodi, kas izmanto precīzi noregulētus elektriskos impulsus, lai īslaicīgi atvērtu poras šūnu membrānās. Taču šis process prasa, lai pētnieki zinātu precīzu elektrisko lauku, kas atvērs poras, nenogalinot šūnu. Konkrētā lauka un pareizās augšanas vides atrašana jebkuram konkrētam baktēriju celmam var aizņemt vairākus gadus. Un, kad tas ir izdarīts, katra parauga sagatavošanas, pipetēšanas un elektriskās saspiešanas process ir ļoti lēns. Buie lēš, ka viens kvalificēts pētnieks var elektroporēt tikai 20 līdz 50 paraugus stundā, ievērojami ierobežojot laboratorijas veikto eksperimentu skaitu.
Tāpēc, izmantojot DARPA stipendiju, Buijs sāka strādāt pie ātrāka šūnu elektroporācijas veida, un galu galā viņš arī pievērsās procesa automatizācijai. Viņa komanda, kurā bija LEMI pēcdoktori Paulo Garsija un Džefrijs Morans, kā arī maģistrants Žifejs Ge, PhD '16, izmantoja uzstādījumu, kas līdzīgs Buija iepriekšējos dielektroforēzes eksperimentos, taču viņi pievienoja mikrofluidiskajam kanālam fluorescējošu marķieri, kas spīdētu. DNS klātbūtnē. Kanāli bija piepildīti ar baktērijām, un, palielinoties elektriskajiem laukiem ap sašaurinājumu, atvērās membrānas poras, ielaižot marķieri. Nokļūstot iekšā, tā reaģēja ar baktēriju DNS un lika šūnai mirdzēt, nodrošinot redzamu elektriskā lauka indikatoru, kas nepieciešams, lai atvērtu konkrēta celma poras.
Kad pētnieki to uzzina, viņi joprojām saskaras ar darbietilpīgu uzdevumu manuāli izjaukt katru šūnu, lai ievietotu vēlamo DNS. Tāpēc Buie, -Garcia un LEMI absolvents pētniecības asistents Rameech -McCormack, SM '17, arī izstrādāja pipeti, kas izmanto pareizo elektrisko lauku, kad šūnas plūst pa elektriski uzlādētiem mikrofluidiskajiem kanāliem, kas iebūvēti tās galā. Uzsākot darbu, ko sauc par Kytopen, Buie un Garcia (kas darbojas kā Kytopen izpilddirektors) izstrādā automatizētu sistēmu, kas aprīkota ar 96 vai vairāk vienlaicīgi elektroporējošām pipetēm, no kurām katra var paņemt vienu paraugu ik pēc astoņām līdz 10 sekundēm. Padarot iespēju DNS ievietot baktēriju šūnās līdz pat 10 000 reižu ātrāk, ierīce varētu ļaut pētniekiem ātri izkropļot miljoniem variantu gēnu inženierijas eksperimentā. (Kytopen ir viens no pirmajiem uzņēmumiem, ko atbalsta The Engine, MIT riska fonds/paātrinātājs agrīnās stadijas jaunizveidotiem uzņēmumiem, kuri strādā pie tehnoloģijām ar lielu potenciālu, taču ilgu izstrādes termiņu. Skatiet sadaļu Investing in Tech That’s Worth the Wait, 2018. gada marts/aprīlis.)
Nākamais Buija solis ir pārbaudīt savu elektroporācijas ierīci ar organismiem, kurus zinātnieki vēl nav spējuši ģenētiski modificēt, un viņš sāk ar baktērijām mutē. Forsaitas institūts, bezpeļņas organizācija biotehnoloģiju pētniecības jomā, ir izolējusi simtiem cilvēku mutes baktēriju šķirņu. Buijs ir sadarbojies ar Forsaitu Kristoferu Džonstonu, mikrobioloģijas pētnieku, kurš izstrādā metodes, kā izvairīties no šūnu aizsardzības sistēmām, kas noraida svešu DNS. Kopā to mērķis ir padarīt vismaz 200 baktēriju celmus pieejamus gēnu inženierijai.
Ja viņiem izdosies ievērojami paplašināt organismu skaitu, ar kuriem zinātnieki var manipulēt, pētījumus kādu dienu varētu izmantot, lai izstrādātu baktērijas svarīgām vajadzībām veselības aprūpē, enerģētikā, lauksaimniecībā un vides zinātnē.
Buie cer, ka viņa darbs ļaus citiem pētniekiem risināt sarežģītākus jautājumus. Cilvēki pārstās teikt: 'Es nevaru strādāt ar šo kļūdu', jo viņi nevar veikt ģenētiku, viņš saka. Viņi teiks: 'Kāpēc mēs to nepamēģinātu?'