Znajdź zawartość

Wewnętrzne "rusztowanie" komórek, cytoszkielet, nie jest tak sztywny, jak do niedawna sądzono. Wprost przeciwnie - adaptuje się on do zmian kształtu komórki, pozwalając jej na dostosowanie się do panujących warunków otoczenia. Jak przyznaje główny autor odkrycia, Tran Piel z Instytutu im. Marii Curie w Paryżu, na początku chodziło o... zabawę. Badacz chciał po prostu sprawdzić, jak będą się zachowywały komórki różnych szczepów drożdży po umieszczeniu w superwąskich rurkach o różnych kształtach. Testowano więc reakcje pręcikowatych komórek w łukowatych kanalikach i odwrotnie - komórek o przecinkowatym kształcie w prostych rurkach. Wstępne wyniki eksperymentu okazały się na tyle interesujące, że naukowcy postanowili podążyć tym tropem i przeprowadzić regularne badania. Podczas badań zaobserwowano, że zmiana kształtu komórek z wyprostowanego na wygięty powoduje wydłużenie mikrotubul - pustych w środku rurek "wyrastających" z centrum komórki i wydłużających się w kierunku jej granic. Po zaburzeniu naturalnej formy nie są one w stanie sięgnąć do błony komórkowej i dostarczyć białek potrzebnych dla jej działania. Podobny proces zachodzi, gdy próbuje się "wcisnąć" komórki naturalnie przecinkowate do prostych kanalików. Zakłócenie funkcjonowania mikrotubul wywołuje szereg zaburzeń, prowadzących do próby odbudowania cytoszkieletu w formie pozwalającej na przetrwanie w zmienionym środowisku. To prowadzi z kolei do utrwalenia zmiany kształtu komórki. Autorzy odkrycia oceniają, że w opisywanym przypadku mamy do czynienia ze sprzężeniem zwrotnym. Polega ono na tym, że zmiana kształtu wymusza adaptacyjne modyfikacje cytoszkieletu, które prowadzą z kolei do zmiany kształtu całej komórki. Dokonane odkrycie może mieć wiele istotnych zastosowań. Po pierwsze, może wyjaśniać, dlaczego komórki hodowane w laboratorium na dwuwymiarowej powierzchni zachowują się często zupełnie inaczej, niż wtedy, gdy są zlokalizowane w tkance. Po drugie, badania takie jak to mogą ułatwić zrozumienie fizjologii komórek nowotworowych. Zaburzenia w obrębie cytoszkieletu mogą bowiem prowadzić do szeregu komplikacji, wśród których najistotniejszą jest nabycie zdolności do tworzenia przerzutów. Kolejne badania naukowców z Paryża będą miały na celu m.in. ustalenie, jak długo komórki zmuszane do życia w nienaturalnym otoczeniu zachowują nietypowe właściwości. Eksperymenty te, choć będą prowadzone na prymitywnych drożdżach, mogą dostarczyć wiedzy nawet na temat organizmów tak złożonych, jak ludzie.

Regulacja aktywności wielu genów naraz od dawna stanowiła zagadkę dla biologów. Troje naukowców dowodzi, że jednym z procesów regulujących te procesy jest częstotliwość, z jaką poruszają się wahadłowo niektóre białka wewnątrz komórki. Odkrycia dokonało trzech naukowców z California Institute of Technology (Caltech): dr Michael Elowitz, dr Long Cai oraz student Chiraj Dalal. Badacze analizowali zachowanie pojedynczych komórek drożdży piekarskich (Saccharomyces cerevisiae) w odpowiedzi na nadmiar jonów wapnia w pożywce. Komórki odbierają nagłe zmiany składu chemicznego otoczenia jako zagrożenie, w odpowiedzi reagując zmianą aktywności ściśle określonych genów. Właśnie ten proces, a dokładniej mówiąc: jego regulacja, był głównym obiektem badania. Wcześniejsze badania wykazały, że jednym z białek odpowiedzialnych za reakcję komórek na zmianę stężenia jonów wapnia jest proteina zwana Crz1. Wykorzystując techniki inżynierii genetycznej badacze wyhodowali szczep drożdży, które produkowały cząsteczki Crz1 połączone z zielonym białkiem fluorescencyjnym (ang. Green Fluosrescent Protein - GFP). Pozwalało to na śledzenie zachowania molekuł wewnątrz komórki. Rejestracja zmian była mozliwa dzięki mikroskopowi sprzężonemu z lampą ultrafioletową (powodowała ona na wywołanie fluorescencji, czyli świecenia GFP) oraz kamerą wykonującą zdjęcia komórki w regularnych odstępach czasowych. Celem eksperymentu była analiza ruchu cząsteczek Crz1 do wnętrza jądra komórkowego oraz ucieczki z niego. Badacze zaobserwowali, że lokalizacja białka zmienia się nieustannie, lecz zawsze w sposób skoordynowany - w określonej chwili poszczególne molekuły poruszały się zawsze w jednym kierunku. Czas ich pobytu we wnętrzu jądra komórkowego był stały, lecz częstotliwość wykonywania "przeskoków" zależała od warunków, w jakich przebywała komórka. Jak tłumaczy dr Elowitz, można w takim razie powiedzieć, że poziom wapnia jest "zakodowany" w częstotliwości tych gwałtownych zmian lokalizacji. Zaobserwowana u drożdży metoda sterowania aktywnością genów jest niezwykle rzadka. W podobnych sytuacjach czynnikiem regulującym jest zwykle stężenie określonych substancji, lecz regulację poprzez częstotliwość ruchu wahadłowego cząsteczek zaobserwowano prawdopodobnie po raz pierwszy. Obserwacje wykonane przez naukowców z Caltech wskazują, że molekuły Crz1 regulują aktywność około stu genów. Co ważne, każdy z nich reaguje na stymulację w charakterystyczny dla siebie sposób, zależny od sytuacji wewnątrz komórki. Jest to warunek kluczowy dla optymalnej reakcji komórki na stres. Szczegółowych informacji na temat odkrycia dokonanego przez zespół dr. Elowitza dostarcza najnowszy numer czasopisma Nature.

Specjaliści z California Institute of Technology zmodyfikowali genetycznie komórki drożdży, umożliwiając im syntezę wielu związków, których produkcja była dotąd zarezerwowana dla roślin. Opracowane mikroorganizmy mogą znacznie obniżyć koszty produkcji wielu powszechnie stosowanych substancji. Komórki drożdży piekarskich (Saccharomyces cerevisiae) są powszechnie używane nie tylko do produkcji pieczywa. Są one stosowane także jako "żywe reaktory" do produkcji leków (czego przykładem jest np. szczepionka przeciw wirusowi HPV) oraz wielu substancji używanych w przemyśle. Dwie badaczki z California Institute of Technology (Caltech), magistrantka Kristy Hawkins oraz jej opiekunka prof. Christina D. Smolke, postanowiły rozszerzyć ich możliwości o produkcję alkaloidów benzoizochinolinowych (BIA - ang. benzylisoquinoline alkaloids). Powszechnie stosowane związki z tej grupy to m.in. niektóre składniki kosmetyków, morfina czy nikotyna. Aby osiągnąć zamierzony efekt, badaczki zmodyfikowały komórki S. cerevisiae poprzez dodanie kilku genów charakterystycznych dla roślin wytwarzających BIA. Dzięki eksperymentowi możliwe było przeprowadzenie w komórkach drożdży syntezy retikuliny, jednego z podstawowych związków z tej grupy. Uzyskany produkt można szybko i tanio zmodyfikować w celu wytworzenia znacznej liczby substancji posiadających szerokie spektrum właściwości biologicznych. Mogą być używane m.in. jako leki zwiotczające mięśnie, uśmierzające ból czy przyśpieszające wzrost włosów. Niektóre alkaloidy benzoizochinolinowe posiadają także właściwości antymalaryczne, antyoksydacyjne czy przeciwnowotworowe. Potencjalne zastosowanie opracowanej technologii jest ogromne. Jak tłumaczy prof. Smolke, szacuje się, że istnieją tysiace związków w rodzinie BIA. Posiadanie źródła, które umożliwi wytwarzanie znacznych ilości określonych substancji z tej grupy, jest krytyczne, by możliwe było wykorzystanie ich różnorodnych właściwości. Dotychczas badania nad nimi były niejednokrotnie ograniczone ze względu na fakt, że jedynym ich źródłem były rośliny, wytwarzające je często w bardzo małych ilościach. Użycie w tym celu komórek drożdży, stosowanych powszechnie w inżynierii genetycznej ze względu na wysoką wydajność syntezy przy niskich kosztach hodowli, powinno znacząco uprościć ten proces. Kolejnym etapem eksperymentu badaczek z Caltech było wstawienie do "podstawowej wersji" drożdży kolejnych genów, odpowiedzialnych za modyfikację cząsteczek retikuliny. Pozwoliło to na wytwarzanie związków, z których można łatwo wytworzyć m.in. sangwinarynę (składnik pasty do zębów), antybiotyk berberynę oraz morfinę. Zdaniem prof. Smolke, w ciągu trzech lat powinno udać się wytworzenie specjalnych odmian S. cerevisiae, dzięki którym możliwa będzie synteza gotowych leków. Zmodyfikowane drożdże mogą posłużyć nie tylko do poprawy wydajności syntezy znanych alkaloidów, lecz także do poszukiwania zupełnie nowych, nieznanych dotąd związków. Być może niektóre z nich okażą się bardzo przydatne z punktu widzenia człowieka ze względu na unikalne właściwości, których nie wykazują podobne substancje występujące w naturze. Zdaniem prof. Smolke prowadzone przez nią i jej podopieczną badania mają potencjał, który może zostać wykorzystany do poszukiwania nowych leków przeciwko wielu chorobom. Praca ta jest także ekscytującym przykładem coraz bardziej skomplikowanych metod modyfikowania układów biologicznych w celu podejmowania wielkich wyzwań ludzkości.

Drożdże, które podczas fermentacji wytwarzają wino z soku winogronowego, początkowo wykształciły eksploatowaną przez ludzi umiejętność, by zatruwać (i to dosłownie) życie swoim konkurentom. Obecność alkoholu w otoczeniu nie ułatwiała im bowiem walki o przetrwanie (Ecology). Saccharomyces cerevisiae stanowią mniejszość, gdy owoce znajdują się jeszcze na krzewach (są 1 z ok. 10 gatunków), ale to one wiodą prym podczas fermentacji i tylko one są w stanie dotrwać do jej końca. Ciepło i alkohol, które stanowią produkty przebiegającej wtedy reakcji chemicznej, stanowią zabójczą mieszankę dla innych organizmów. Samym S. cerevisiae również nie do końca to odpowiada, ale obfitość pożywienia to doskonała nagroda za "umartwianie". Biolodzy widywali już wcześniej przypadki samodzielnego stwarzania sobie niszy, ale po raz pierwszy udało się pomierzyć związane z tym korzyści. Pokazuje to, jak działania organizmów wymierzone w tu i teraz zmieniają presję ewolucyjną – podsumowuje Matthew Goddard z University of Auckland w Nowej Zelandii. Zespół Goddarda ekstrahował drożdże z przetwarzanego w winiarni soku winogronowego. Gatunek identyfikowano na podstawie analizy DNA. Następnie monitorowano stężenie etanolu i temperaturę w kadziach. Poza tym w laboratorium naukowcy określali tempo wzrostu przedstawicieli poszczególnych gatunków przy różnych stężeniach alkoholu. Okazało się, że podczas fermentacji drożdże S. cerevisiae zdobywają 7-procentową przewagę nad pozostałymi. Nowozelandczyk dodaje, że S. cerevisiae podążają ścieżką beztlenową i wytwarzają ciepło oraz etanol nawet wtedy, gdy korzystniej dla nich byłoby oddychać tlen, generując CO2 i wodę. Paul Henschke, mikrobiolog z Australijskiego Instytutu Badań nad Winem w Adelajdzie, uważa, że odkrycie jego kolegów po fachu może pomóc uzyskać bardziej aromatyczne wino o bogatszym bukiecie. Sugeruje utrzymywanie niskich temperatur na początkowych etapach fermentacji, tak by wykazać się mogły inne niż S. cerevisiae gatunki drożdży. Potem wystarczy zwiększyć temperaturę i pozwolić tym ostatnim postawić kropkę nad i...

W dobie kończących się zasobów ropy naftowej każdy pomysł na poszukiwanie alternatywnych źródeł energii jest na wagę złota. Jednym z możliwych rozwiązań tego problemu jest pozyskiwanie energii z celulozy, wytwarzanej w przyrodzie w astronomicznych wręcz ilościach. Do tej pory największy problem z jej wykorzystaniem polegał jednak na tym, że nie znano dostatecznie dokładnie organizmów, które byłyby w stanie rozkładać ten cukier. Badania wykonane przez naukowców z Laboratorium w Los Alamos oraz Połączonego Instytutu Badania Genomu przy amerykańskim Departamencie Energii rzucają nowe światło na jednego z potencjalnych wytwórców energii. Badania dotyczyły wyjątkowo "żarłocznego" grzyba z gatunku Tricoderma reesei. W naturze jednym z najważniejszych źródeł energii jest dla tego organizmu zawarta we włóknach roślinnych celuloza, która ulega strawieniu dzięki wydzielanemu do otoczenia enzymowi - celulazie. Badacze spekulują, że oprócz roślin możliwe byłoby wykorzystanie jako "paliwa" także niektórych rodzajów odpadów komunalnych, co pozwoliłoby na wydajne wytwarzanie energii przy jednoczesnym zmniejszeniu objętości składowanych śmieci. Skłoniło to naukowców do dokładniejszego zbadania fizjologii wspomnianego grzyba. Okoliczności odkrycia T. reesei mają niewiele wspólnego z optymizmem, który dziś towarzyszy jego potencjalnemu zastosowaniu w gospodarce człowieka. Początkowo był uznawany za plagę, gdyż w czasie II wojny światowej powodował znacznie przyśpieszony rozkład tkanin, z których uszyte były m.in. mundury i namioty wojskowych. Dopiero po latach postanowiono zbadać możliwość jego wykorzystania do kontrolowanego rozkładu celulozy, by w ten sposób uzyskać energię. Badacze postanowili określić czynniki, które zadecydowały o zdolności grzyba do wyjątkowo intensywnego rozkładu celulozy. Analizy genetyczne wykazały, ku zaskoczeniu samych naukowców, że T. reesei dysponuje znacznie mniejszą liczbą genów odpowiedzialnych za odżywianie się włóknami roślinnymi niż jego odżywiający się podobnie krewniacy. Z drugiej jednak strony zauważono, że organizm ten posiada wyjątkowo wydajny mechanizm sekrecji, czyli wydzielania enzymu do środowiska. Jest to bardzo ważne, gdyż z uwagi na ogromny rozmiar cząsteczek celulozy niemożliwe jest jej trawienie wewnątrz komórek - konieczne jest rozłożenie celulozy pozakomórkowo, a następnie pobranie powstających produktów rozpadu. Na dodatek geny odpowiedzialne za syntezę celulazy są najprawdopodobniej ułożone w tzw. kasetach, czyli sterowanych wspólnie grupach. Zapewnia to synchronizację związanych z określonym zadaniem procesów, dzięki czemu wydajność (oraz w konsekwencji przydatność w przemyśle) takiego systemu wzrasta. Według wizji badaczy, proces wytwarzania energii z celulozy zachodziłby dwustopniowo. Na pierwszym etapie do roztworu zawierającego celulozę (a więc np. do odpadów rolniczych, komunalnych itp.) byłaby dodawana wyizolowana i oczyszczona z T. reesei celulaza. W efekcie po pewnym czasie doszłoby do rozkładu celulozy na znacznie bardziej przyswajalną glukozę. W tym momencie do komory dodawane byłyby znane doskonale drożdże piekarskie Saccharomyces cerevisiae. Dzięki ich aktywności możliwe byłoby wytworzenie etanolu z uwolnionej uprzednio glukozy. Alkohol byłby następnie oczyszczany przez prostą destylację, stając się bardzo wydajnym biopaliwem. Odkrycie Amerykanów może stać się ważnym krokiem naprzód w realizacji idei wykorzystania glukozy do celów energetycznych. Pomysł użycia tego cukru nie jest nowy, lecz przez długi czas brakowało odpowiednio wydajnych metod pozyskiwania z niej użytecznej dla ludzi energii. Teraz, gdy poznano szczegóły fizjologii T. reesei, wzrasta szansa na ujarzmienie energii ukrytej w wiązaniach chemicznych wewnątrz cząsteczek celulozy. Zdobyta wiedza będzie też z pewnością pomocna przy próbach wyhodowania jeszcze wydajniejszych szczepów tego wyjątkowego grzyba. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w najnowszym numerze czasopisma Nature Biotechnology.

Biotechnolodzy zmienili drożdże piwowarskie w taki sposób, że w kontakcie ze składnikiem min lądowych zaczynają się jarzyć na zielono. Po zmodyfikowaniu Saccharomyces cerevisiae, czyli drożdże wykorzystywane w piekarnictwie i piwowarstwie, reagują na znajdujące się w powietrzu cząsteczki DNT: 2,4-dinitrotoluenu. DNT to materiał resztkowy pozostający po produkcji wybuchowego TNT. Psy wyszkolone do wykrywania materiałów wybuchowych wyczuwają najprawdopodobniej właśnie 2,4-dinitrotoluen. Grzybom wszczepiono gen szczura. Dzięki temu powierzchnia komórki reagowała na obecność DNT. Drugim wprowadzonym genem był gen fluorescencji. Wzrokową wskazówką, że sztuczny nos działa, było jarzenie się na zielono w zetknięciu z 2,4-dinitrotoluenem. Biotechnolodzy z zespołu Danny'ego Dhanasekarana ze Szkoły Medycznej Temple University uważają, że wynaleźli przydatny dodatek do już istniejących bioczujników, wykorzystujących żywe organizmy do wykrywania biologicznej lub chemicznej broni masowego rażenia (Nature Chemical Biology).