Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Pisma mladog biologa

Primio sam ovu poruku od Cory Tobina prije nekoliko mjeseci. Bio je to dio lanca e-pošte kojeg je pokrenuo naš zajednički prijatelj, Mac Cowell. Mac mi je rekao da Cory radi na zanimljivom biološkom projektu koji je započeo u njegovom stanu, a sada je cvjetao na prostoru LA Biohackera. Morao sam znati više.

Coryin projekt spomenuo sam u prethodnom postu o različitim vrstama amatera koji redefiniraju i revidiraju građansku znanost i istraživanje.

Evo Cory:

9. rujna Cory Tobin 9/9, 1:54 am

U redu, ne želim napraviti nikakve pretpostavke o vašem bio / chem znanju pa ću vam samo dati svoj tipični spiel počevši od osnova. Nemojte se uvrijediti ako već znate ove stvari. U svakom slučaju, ovdje je ...

Svi živi materijali trebaju dušik za izgradnju proteina. Dušik je prilično obilan u atmosferi (78%), ali je u obliku N2, koji je vrlo stabilna molekula, tako da je izravno korištenje gotovo nemoguće. Ljudi dobivaju dušik iz biljnih bjelančevina ili više od mesa koje je, dok je meso bilo još živo, dobivalo iz hrane. Većina biljaka dobiva dušik iz tla ili u obliku amonijaka, nitrata, slobodnih aminokiselina ili u manjoj mjeri nitrita. Ovi spojevi su uglavnom rezultat drugih propadajućih organizama. Ali odakle je izvorno? U nekom trenutku netko ga je morao izvući iz atmosfere, inače bi došlo do neto gubitka jer se ti spojevi koji sadrže dušik ispiru u ocean ili pretvaraju u plin dušik i vraćaju se u atmosferu.

Prije nego što su ljudi počeli ometati, jedini zemaljski izvor dušika (za sada ću ignorirati ocean) bili su čvorići korijena kod nekih vrsta biljaka. Postoje bakterije koje žive u tim nodulima koji pretvaraju N2 (plinoviti dušik) iz atmosfere u NH3 (amonij) koji biljka može lako koristiti. To je simbiotski odnos u kojem biljka opskrbljuje bakterije ugodnim okolišem kao i ugljikohidratima iz fotosinteze, dok bakterije proizvode amonijak koji se brzo pretvara u aminokiseline. Razlog za nodule je da bakterijski enzimi, koji reagiraju s N2 =>> NH3, nazivaju se "dušikaze", otrovani su kisikom. Nodul osigurava okolinu relativno slobodnu od O2, tako da enzimi mogu učinkovito raditi.

Na srodnu tangentu jedan od primarnih sastojaka gnojiva je amonijev nitrat. To se proizvodi Haber-ovim procesom, gdje se prirodni plin koristi za zagrijavanje plinovitog N2 do visokih temperatura u prisutnosti katalizatora radi dobivanja različitih dušikovih spojeva. Navodno se oko 2% ukupne svjetske opskrbe energijom koristi u ovoj jedinstvenoj kemijskoj reakciji, iako još nisam pronašao čvrste podatke o tome.

Uostalom, farmeri prskaju ovu stvar na svoja polja kako bi poboljšali prinos, ali mnogo toga otpada na otpad jer odlazi u vodene putove uzrokujući toksične alge cvjetanja i na kraju u more gdje uzrokuje više problema za ocean života. Natrag na priču ...

Da bi te bakterije i njihove dušikotestice funkcionirale, potrebna im je okolina bez kisika. Tako da ne možete samo uzeti bakterije i premazati biljku s njom i nadati se da će raditi.

Samo neke vrste biljaka imaju nodule za održavanje fiksacije dušika. I nažalost, biljke koje ljudi rastu u najvećem obilju (kukuruz, riža, pšenica) nemaju kvržice. Ljudi već neko vrijeme pokušavaju ugraditi nodule korijena u ne-nodulirajuće vrste bez mnogo sreće. Ispada da je to prilično složen fenomen. Idealno bi bilo da biljka proizvede kvržice tako da poljoprivrednici ne moraju svugdje bacati toliko gnojiva, bilo posebnim premazom sjemena ili genetskom modifikacijom. Ali za sada nema sreće. Jedina stvar koju sam nedavno vidio da bi mogla biti obećavajuća je ova tvrtka - azotictechnologies.com Nekako znam što rade, ali još nisam vidio nikakve podatke koji pokazuju da može zamijeniti gnojivo.

Jedan od mogućih načina za zaobilaženje ovog problema s čvorištem je da dobijete dušikovu kiselinu koja je tolerantna na kisik. Onda se ne biste trebali baviti inženjeringom ili poticanjem nodulacije. Možete zamisliti da imate takav sustav koji biste mogli staviti gen izravno u biljku, tako da nema potrebe za bakterijama, ili možda napraviti sjemensku prevlaku koja sadrži neke bakterijske spore koje nose taj gen, itd. Nešto jednostavnije od izrade nodula manje zagađuju i troše od gnojiva.

Devedesetih godina prošlog stoljeća tu je bio profesor u Njemačkoj, Ortwin Meyer, koji je slučajno pronašao bakteriju koja je očito fiksirala dušik u prisutnosti kisika. On i njegov tim zapravo su tražili bakterije koje su reducirale ugljični monoksid i slučajno otkrile ovu dušikazu. U Njemačkoj ljudi prave drveni ugljen ukopavanjem ogrjevnog drva i paljenjem pod zemljom tako da se podvrgne pirolizi, izbacujući sve vrste gadnih plinova i ostavljajući ugljen. Meyer i sur uzeli su neke uzorke tla s jedne od tih gomila ugljena, zbog nedostatka bolje riječi. Jedna od bakterija koje je izolirala iz tla konzumirala je ugljični monoksid, ali i fiksni dušik. Nazvali su ga Streptomyces thermoautotrophicus.

U jednom trenutku svi su studenti i postdoktoristi napustili laboratorij i nitko nije provodio projekt proučavanja funkcije dušikaze. Kontaktirao sam sve koji su ikada radili na tome i svi su tvrdili da više nemaju tu vrstu. Ne vjerujem im, ali je nevažno. Tako se činilo da je vrsta izgubljena. Nakon što sam dobila rutinu od svih tih ljudi, odlučila sam pokušati ponovno izolirati vrstu. Ovdje sam dobio nevjerojatnu sreću. Trebala sam danas kupiti kartu za loto.Razgovarao sam s jednim od mojih prijateljica iz Njemačke, Dirkom, o ovom projektu koji je pokušavao utvrditi jesam li počinio neke kulturne promašaje koje bi mogle objasniti zašto su ti znanstvenici bili teški i zlovoljni. Rekao mi je da je susjed njegovog oca vlasnik tvornice ugljena u regiji gdje je bio izoliran S. thermoautotrophicus. Dirk ga je nazvao i ispostavilo se da taj tip posjeduje točno onu imovinu u kojoj je Meyer izolirao tu vrstu. Ovaj tip mi šalje uzorak tla iz jednog od njegovih ugljena kako bih pokušao ponovno izolirati ovu vrstu.

To dovodi do pitanja kako da idem o ponovnom izoliranju bakterija. Iz literature sam znao da je osnovni pristup bio da se uzorak tla stavi u tikvicu, pokrije s malo vode koja sadrži neke soli, minerale i druge mikronutrijente, zagrijava se do 65 ° C, a zatim pumpa plinove koje ova vrsta voli jesti. Ona troši ili ugljični monoksid ili kombinaciju vodika i ugljičnog dioksida. Budući da rad s CO u mom stanu (to je sve bilo urađeno DIY stilom) nije bio u pitanju, ja sam otišao s H2 / CO2. Moj prvi projekt uključivao je nepropusnu komoru za rast s grijačem, vodikom proizvedenim iz elektrolize vode i CO2 isporučenim iz spremnika, kroz neke cijevi i ventile spojene na komoru. Ova stvar je bila potpuna katastrofa i nikada nisam uspio pokrenuti više od par dana prije nego što je neki dio postao previše nagrizan visokom temperaturom, vlagom i korozivnim plinom.

Moj drugi dizajn bio je usredotočen na plastični hladnjak koji sam pokupio iz Targeta. Unutra se kontrolirala svjetiljka za grijanje preko releja i Arduino koji je održavao blagu temperaturu od 65 ° C. Uzorak tla sjedio je u tikvici s odgovarajućom mješavinom vitamina i minerala. Za stvaranje plinova imao sam 2 velike plastične čaše, 1 za vodik i 1 za ugljični dioksid. Za dobivanje vodika postavljen je aluminijski prah u čašu, a zatim izliven u 1M NaOH. Za proizvodnju ugljičnog dioksida krenuo sam u vrtić-znanost-fer-stil i mješoviti soda bikarbone i ocat. Tako bih bacila tekućine u prah, a zatim brzo zatvorila poklopac hladnjaka kako bih zadržala plinove. Učinila bih to dva puta dnevno kako bih zadržala koncentraciju plinova. Na kraju sam dobio neke bakterije koje su odgovarale opisu izvorne vrste. Tako sam izolirao ono što je izgledalo kao izvorna O2-tolerantna bakterija koja veže dušik.

U međuvremenu, otkako sam sve to objavljivao na javnom wikiju, privukao sam pozornost nekoliko drugih znanstvenika koji su bili zainteresirani za pomoć. Naša je suradnja uspjela potvrditi da ova bakterija doista fiksira dušik. To smo učinili tako što smo ga uzgajali u prisutnosti izotopa 15-N2, koji je neradioaktivni izotop dušika i koji se vrlo rijetko javlja u prirodi. Izvadili smo proteine ​​iz bakterija i pokrenuli ih kroz maseni spektrometar. Spektar masa pokazao je da je 15N ugrađen u proteine, tako da znamo da fiksira dušik. Također smo sekvencirali genom ove bakterije koji se pokazao teže nego što je prvobitno planirano, ali se uglavnom radi. Sada je cilj dvojak: 1) odrediti koji geni kodiraju za dušikazu i 2) odrediti da li je dušikova zapravo O2 tolerantna. Prvobitno istraživanje ove vrste bilo je neuvjerljivo pa moramo biti sigurni.

Upravo sada govorimo o # 1 koristeći RNA-Seq da u osnovi izmjerimo koji su geni uključeni kada je bakterija prisiljena popraviti vlastiti dušik (uklanjajući amonijak iz medija za rast). Tako uzgajamo jedan uzorak s amonijakom i jedan bez, a zatim mjerimo razinu ekspresije za sve gene (RNA-Seq), uspoređujemo 2 uzorka i vidimo koji se pojavljuju kada se amonijak ukloni. Ti geni * bi trebali biti oni koji su uključeni u putanju dušikaze, ali biologija je uvijek neuredna i komplicirana, tako da vjerojatno neće biti toliko uvjerljiva. Na kraju ćemo morati napraviti nokaut, gdje ćemo ukloniti gene za koje mislimo da su uključeni i vidjeti da li ubija funkciju dušikaze da bude 100% sigurna.

Što se tiče # 2, to je za sada na zadnjoj strani jer će biti vrlo teško testirati bez # 1.

Moj krajnji cilj je biti u mogućnosti uzeti niz gena iz Streptomyces thermoautotrophicus i staviti ih u drugu vrstu, bilo biljku ili alge ili nešto slično, i neka ta vrsta popravi i svoj vlastiti dušik. To bi bilo super korisno ne samo u poljoprivrednom sektoru, već iu industrijskim pogonima na biogorivo.

Dakle, ako ste dobili antsy i preskočili do kraja, cilj je da se projektiraju biološki sustavi da ne trebaju gnojiva na bazi dušika. Još uvijek smo daleko od tog cilja, ali ostvarujemo stalan napredak.

Ako imate bilo kakvih pitanja, javite mi. Uvijek sam sretan razgovarati o znanosti. Oprosti zbog novele.

Cory je savršen primjer vrste profesionalca koji iskorištava nove amaterske alate i modele. Pretpostavljam da će ovaj trend samo rasti: projekti poput Coryja će uspjeti na Kickstarteru ili Experimentu, biospaces (novi koji je upravo otvoren do nas u Berkeleyju) će početi proizvoditi izuzetno relevantne projekte i, nadamo se, zaklade za stvaranje bespovratnih sredstava će shvatiti da postoje velike potencijal u zasijavanju velikog broja tih jeftinih amaterskih projekata s nekim oblikom mikrofinanciranja, a više poštanskih dokumenata poput Corya započet će vlastite projekte u stilu izrade. To je barem moja nada.

Udio

Ostavite Komentar