Znajdź zawartość

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.

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.