Sistem apa pun, betapa pun kompleks dan berlapis-lapisnya, memiliki fondasinya sendiri - dasar yang tanpanya tidak akan berfungsi sebagaimana mestinya. Di dalam biosfer planet kita, ada juga batu bata dasar yang menjadi sandaran segalanya. Mereka adalah autotrof - organisme yang dapat mengubah senyawa anorganik menjadi yang organik. Hari ini kita akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana para ilmuwan dari Israel menciptakan di laboratorium jenis baru bakteri yang memakan karbon dioksida. Metode apa yang digunakan dalam proses pengembangan, bagaimana bakteri berperilaku, dan apa artinya ini bagi manusia? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Dasar studi
Autotrof dapat disebut salah satu makhluk paling kuno di planet ini. Dipercayai bahwa autotrof pertama muncul dua miliar tahun yang lalu, ketika bakteri heterotrofik (tidak mampu mensintesis organik dari anorganik) melalui evolusi memperoleh kemampuan fotosintesis. Istilah itu sendiri diusulkan kembali pada tahun 1892 oleh ilmuwan Jerman Albert Bernhard Frank.
Albert Bernhard FrankBeberapa organisme berada di persimpangan sintesis autotrofik dan heterotrofik, karena mereka mendapatkan karbon dari senyawa organik, tetapi energi dari yang anorganik. Mengikuti logika ini, autotrof dapat dibagi menjadi beberapa yang utama: fototrof, chemotroph, radiotroph, lithotroph, dan mixotrophs. Ada juga kelompok transisi, yang perwakilannya sangat sulit untuk dikaitkan dengan satu atau lain sisi dari spektrum sintesis, tetapi klasifikasi mereka belum selesai.
Fototrof , sesuai
namanya , menggunakan foton sebagai sumber energi, atau lebih tepatnya energi matahari. Dari organisme inilah jenis nutrisi seperti fotosintesis terjadi.
Chemotroph adalah kimia yang lebih dekat daripada fisika. Organisme semacam itu menggunakan berbagai reaksi redoks sebagai sumber energi, mis. kemosintesis.
Jenis yang paling tidak dipelajari dan pada saat yang sama jenis yang paling aneh adalah
radiotrof - hasil dari fenomena yang disebut "radio stimulasi jamur." Ini adalah proses merangsang metabolisme jamur mikroskopis karena radiasi pengion. Untuk pertama kalinya, organisme ini ditemukan kembali pada tahun 1991 sebagai bagian dari cetakan hitam, sampel yang diperoleh dari pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl. Beberapa saat kemudian (pada tahun 2006), para ilmuwan dari New York menguji hipotesis radio stimulasi jamur dan menemukan bahwa tiga jamur dari spesies Cladosporium sphaerospermum, Wangiella dermatitidis dan Cryptococcus neoformans, yang mengandung melanin pigmen, meningkatkan biomassa mereka dan akumulasi asetat (asam asetat, CH
3 OH) ) di lingkungan di mana tingkat radiasi melebihi norma sebanyak 500 kali.
Lithotroph memproses senyawa anorganik menjadi energi dan karbon yang mereka butuhkan melalui respirasi aerob atau anaerob. Hanya perwakilan archaea (uniseluler tanpa nukleus dan membran organel) dan bakteri yang dapat membanggakan kemolitotropi.
Mixotroph adalah tentara universal, karena mereka dapat menggunakan beberapa jenis makanan yang berbeda secara bersamaan (atau secara bergantian, tergantung pada kondisinya), yaitu menjadi fototrof dan chemotroph, misalnya.
Para penulis penelitian yang kami pertimbangkan saat ini percaya bahwa pemahaman yang lebih rinci tentang proses aktivitas vital autotrof akan memungkinkan penerapan pengetahuan yang diperoleh dalam skala besar. Dan menurut mereka, cara terbaik untuk mempelajari autotropi adalah dengan menciptakan organisme autotrofik sintetis. Secara teoritis, Anda dapat membuat bakteri yang akan memakan karbon dioksida. Tetapi untuk memanggil proses ini bahasa yang mudah tidak berubah. Peneliti sendiri mengidentifikasi tiga tahap utama yang harus diselesaikan agar pekerjaan mereka dapat diwujudkan.
Pertama, untuk transisi lengkap ke nutrisi autotrofik, tubuh harus menggunakan mekanisme fiksasi CO
2 di jalur di mana karbon yang masuk hanya terdiri dari CO
2 , dan molekul output adalah molekul organik yang masuk ke dalam metabolisme karbon pusat dan memasok semua 12 prekursor biomassa utama.
Kedua, tubuh harus menggunakan mekanisme enzimatik untuk mendapatkan kekuatan regeneratif dengan mengumpulkan energi non-kimia (cahaya, listrik, dll.) Atau dengan proses redoks yang bukan sumber karbon.
Ketiga, tubuh harus mengatur dan mengoordinasikan cara mengumpulkan energi dan memperbaiki CO2, sehingga mereka bersama-sama mempertahankan pertumbuhan yang stabil ketika CO2 adalah satu-satunya sumber karbon.
Sebelumnya, penelitian dilakukan di mana mereka mencoba untuk menciptakan organisme yang memakan CO
2 , tetapi dalam karya-karya itu ada satu kelemahan besar - adanya senyawa organik multi-karbon di dalam tubuh, yang berfungsi sebagai sumber "cadangan" nutrisi. Dengan kata lain, belum dimungkinkan untuk membuat organisme heterotrof yang akan mengambil karbon secara eksklusif dari CO
2 .
Sebagai dasar metodologi untuk penelitian mereka, para ilmuwan menggunakan
siklus Calvin (
siklus Calvin-Benson-Bassam) - serangkaian reaksi biokimia selama fotosintesis pada tanaman, cyanobacteria, dll. Siklus ini adalah mekanisme fiksasi karbon dioksida yang paling umum.
Dan percobaan utama adalah bakteri
Escherichia coli , yang lebih dikenal oleh kami dengan nama "E. coli."
Hasil penelitian
Pertama-tama, itu perlu untuk melakukan reorganisasi metabolisme dan evolusi laboratorium tubuh untuk mewujudkan transisi ke autotropi. Beberapa kandidat senyawa dipertimbangkan yang dapat berfungsi sebagai donor elektron untuk fiksasi CO
2 , yang akan memungkinkan bakteri untuk mentransfer untuk menyelesaikan autotropi.
Formate * dipilih sebagai sumber elektron, karena senyawa organik satu-karbon ini dapat berfungsi sebagai sumber bagian pereduksi dari proses, tetapi tidak secara alami mendukung pertumbuhan
E. coli dan tidak diserap ke dalam biomassa.
Format * - garam dan ester asam format.
Potensi pemulihan format (E
0 = 420 mV) cukup rendah untuk mengurangi NAD
+ , pembawa elektronik utama dalam sel (E
0 = 280 mV dalam
E. coli ). Keuntungan lain adalah dapat diperoleh secara elektrokimia dari sumber yang terbarukan, sedangkan biomassa akan menjadi karbon-negatif.
Untuk mengumpulkan elektron dari format dan mengarahkannya ke reservoir pemulihan energi utama seluler NADH (nicotinamide adenine dinucleotide), FDH yang terhubung dengan NAD
+ (formate dehydrogenase) dari bakteri methylotrophic
Pseudomonas sp .
Analisis stoikiometrik (rasio massa senyawa kimia) dari jaringan metabolisme pada
E. coli menunjukkan bahwa menambahkan FDH, Rubisco (ribulosa bifosfat karboksilase) dan Prk (fosforibulokinase) ke jaringan metabolik
E. coli akan cukup untuk pertumbuhan autotrofik (gambar di bawah).
Gambar 1: Skema bakteri E. coli chemotrophic yang dimodifikasi laboratorium.Sayangnya, koekspresi tiga enzim rekombinan dalam strain utama
E. coli (BW25113) tidak menyebabkan pertumbuhan dalam kondisi autotrofik. Karena analisis stoikiometrik tidak memperhitungkan kinetika enzim, tingkat ekspresi dan regulasi, diputuskan untuk menggunakan evolusi laboratorium adaptif sebagai alat untuk optimasi metabolisme untuk mencapai pertumbuhan autotrofik.
Metode ini disebabkan oleh fakta bahwa ekspresi heterolog dari mekanisme enzimatik asing memperluas ruang reaksi metabolik yang mungkin untuk sel, memberikan kemungkinan pertumbuhan autotrofik. Masalahnya adalah bahwa tidak ada jaminan bahwa aliran yang diperlukan akan melalui serangkaian reaksi yang baru-baru ini diperluas.
Oleh karena itu, karena metabolisme sentral dari
E. coli disesuaikan dengan pertumbuhan heterotrof, kemungkinan bahwa distribusi aliran yang mendukung pertumbuhan heterotrofik akan digunakan. Itulah mengapa evolusi laboratorium digunakan, mampu mengarahkan aliran di sepanjang jalur metabolisme yang diinginkan.
Salah satu proses terpenting dari evolusi laboratorium adalah penataan ulang metabolisme sentral untuk membangun ketergantungan pada aliran karboksilasi Rubisco dan adaptasi media pertumbuhan untuk menekan aliran melalui jalur heterotrofik asli (
2A ). Dengan kata lain, perlu untuk membuat bakteri berhenti menggunakan mekanisme metabolisme heterotrof, beralih ke autotropi.
Gambar No. 2: skema strategi evolusi yang dikembangkan untuk mengubah bakteri heterotrofik E. coli menjadi chemotrophic.Pertama-tama, selama evolusi buatan, tiga gen yang mengkode dua enzim dalam pertukaran karbon pusat dikeluarkan: fosfofruktokinase (Pfk) dalam glikolisis dan glukosa-6-fosfat dehidrogenase (Zwf) di jalur pentosa fosfat oksidatif. Yang pertama memiliki dua isoenzim yang dikodekan oleh dua gen (pfkA dan pfkB). Ketika sel ditanam pada
xilosa *, penataan ulang ini memastikan bahwa pertumbuhan sel tergantung pada Rubisco karboksilasi, yang diperlukan untuk transisi ke kemotropi.
Xilosa * adalah monosakarida pentosa (C 5 H 10 O 5 ).
Selanjutnya, ekspresi heterolog Rubisco, Prk, carbonic anhydrase (CA), yang mengubah CO
2 dan bikarbonat dan FDH, dilakukan. Berikut ini adalah proses pertumbuhan sel dalam
kemostat terbatas
xilosa * , yang mendukung sel-sel dalam kelaparan karbon konstan.
Chemostat * adalah metode budidaya mikroorganisme ketika keseimbangan optimal dan konsentrasi substrat dipertahankan dalam media nutrisi tempat mereka tumbuh.
Media kultur semacam itu memungkinkan sel untuk berproliferasi (pertumbuhan jaringan berdasarkan pembelahan sel), tetapi memperlambat jalur
katabolik heterotrofik.
Katabolisme * - dekomposisi metabolik dari zat kompleks menjadi yang lebih sederhana atau oksidasi suatu zat (metabolisme energi).
Kemoterapi, tempat sel-sel tumbuh, juga mengandung kelebihan format dan secara konstan dibersihkan dengan udara yang diperkaya CO
2 ( kandungan CO
2 10%).
Dengan demikian, media pertumbuhan ini memperlambat heterotropi, menyebabkan sel cenderung autotropi. Sel-sel dipaksa untuk mengurangi ketergantungan mereka pada kontribusi karbon eksternal dari gula organik.
Metode penanaman sudah siap, perlu untuk memverifikasi itu. Sekali seminggu, sampel dikeluarkan dari kemoterapi dan diuji pertumbuhannya dalam kondisi autotrofik. Secara khusus, ini adalah kondisi kemo-organotrofik untuk Escherichia coli, yang terdiri dari media tipe M9 dengan penambahan 30 mM (milimolar) natrium format dalam atmosfer dengan kandungan CO
2 yang tinggi (10%), tetapi tanpa sumber karbon lain.
Setelah sekitar 200 hari propagasi dalam kemoterapi, setara dengan sekitar 150 generasi, pertumbuhan terdeteksi pada media yang kurang xilosa (mis., Dalam kondisi autotrofik). Fenotip ini ada di semua sampel pada hari itu. Pada hari ke-350, xilosa dikeluarkan sepenuhnya dari media kultur (
2B ). Pertumbuhan yang berkelanjutan dan kekeruhan menyiratkan bahwa sel-sel xylose-independent secara eksklusif hadir dalam kemostat. Ditemukan bahwa sampel membutuhkan media dengan konsentrasi CO
2 yang tinggi untuk pertumbuhannya, yang menunjukkan mekanisme fiksasi karbon.
Selanjutnya, para ilmuwan memilih salah satu
klon paling kuat dalam pertumbuhan
* untuk analisis lebih dalam. Waktu
penggandaan ditetapkan
* 18 ± 4 jam (
2C ).
Klon * - dalam hal ini, yang kami maksud adalah sekelompok sel yang identik secara genetik.
Menggandakan waktu * - waktu yang dibutuhkan untuk menggandakan ukuran.
Itu perlu untuk memastikan bahwa sel yang tumbuh benar-benar autotrofik, dan selama pertumbuhan mereka tidak ada sumber karbon "tersembunyi" atau aktivasi format heterotrofik. Untuk ini, percobaan dilakukan pada pelabelan isotop.
Untuk mulai dengan, klon yang berevolusi ditumbuhkan dalam media dengan
13 format C-berlabel dan
13 CO
2 (10 generasi sampai diperoleh kondisi isotop yang stabil). Selanjutnya, analisis
13 label C untuk berbagai metabolit dilakukan dengan kromatografi cair dan spektrometri massa tandem.
13 C * - karbon-13, isotop karbon yang stabil.
Metabolit * - produk metabolisme dari senyawa apa pun.
Metode kromatografi cair dan spektrometri massa tandem * adalah metode penelitian kimia yang menggabungkan kromatografi cair memisahkan campuran beberapa komponen dan spektrometri massa, yang memastikan identitas struktural masing-masing komponen.
Gambar 3: Eksperimen pelabelan isotop menggunakan 13 C menunjukkan bahwa semua komponen biomassa terbentuk dari CO 2 sebagai sumber karbon tunggal.Analisis menunjukkan bahwa sekitar 98% atom karbon dalam blok bangunan biomassa metabolisme pusat berhasil dilabeli. Data ini sesuai dengan format berlabel dan CO
2 yang mengandung sekitar 99%
13 C dan 1% bikarbonat tanpa label yang dilarutkan dalam media nutrisi.
Pengamatan ini adalah bukti tak terbantahkan bahwa karbon dalam biomassa sel berasal dari CO
2 dan format.
Selanjutnya, diperiksa apakah format terkonsentrasi dalam biomassa. Untuk ini, sel ditanam dalam medium M9 (konsentrasi CO
2 di atmosfer adalah 10%, seperti dalam percobaan sebelumnya) menggunakan format yang diberi label dengan karbon-13.
Skema penandaan
13 C untuk blok bangunan biomassa setelah pertumbuhan di lingkungan tertentu menunjukkan tanda
13 C dalam 1-2% (
3B ), yang merupakan nilai yang diharapkan berdasarkan pada konten
13 C alami dan sejumlah kecil format berlabel. Dengan kata lain, hasil menunjukkan bahwa sel tidak berasimilasi dengan format.
Totalitas dari hasil percobaan di atas dengan percaya diri menunjukkan bahwa sumber karbon untuk tanaman yang ditanam secara eksklusif adalah CO2 dan format. Dan ini, pada gilirannya, menunjukkan seratus persen autotropi dari sel-sel
E.coli yang telah mengalami evolusi laboratorium.
Para ilmuwan melakukan percobaan lain untuk memverifikasi pernyataan ini, di mana label
13 CO
2 dan format tidak berlabel digunakan. Karena tingginya biaya
13 CO
2 , kapal tempat percobaan dilakukan ditutup. Nuansa kecil ini sangat penting, karena karena lingkungan tertutup (dalam percobaan sebelumnya, wadah berventilasi), CO
2 yang tidak berlabel terakumulasi karena oksidasi formate terakumulasi. Dan ini mendistorsi hasil pengamatan. Namun, proses "kontaminasi" dapat dipantau dan bahkan dikoreksi dengan cermat melalui analisis berlabel glutamat.
Pengalaman ini menunjukkan bahwa sekitar 85-90% atom karbon di blok bangunan biomassa metabolisme pusat berhasil dilabeli. Seperti dapat dilihat pada gambar
3A dan
3B , jika kita menerapkan penyesuaian untuk komponen berlabel C
13 , maka pelabelan atom dalam biomassa akan hampir 100%, yang menunjukkan sifat autotrofik dari perkembangan
bakteri E. coli .
Fakta bahwa bakteri telah menjadi autotrof tidak diragukan. Masih mencari tahu perubahan genetik seperti apa, yaitu mutasi, yang terjadi dalam proses evolusi laboratorium.
Untuk memperjelas hal ini, para ilmuwan mengisolasi enam klon yang mampu melakukan pertumbuhan autotrofik pada format, dan mengurutkan genom dan
plasmid * mereka .
Plasmid * adalah molekul DNA yang secara fisik terpisah dari kromosom dan mampu mereplikasi secara mandiri (proses menciptakan dua molekul DNA anak perempuan berdasarkan molekul DNA induk).
Dua klon (klon 1 dan 2) diisolasi ketika xilosa masih ada dalam media kultur (hari ke 250 evolusi), tiga klon (klon 3, 4, dan 5) setelah xilosa dikeluarkan dari media kultur chemostat ( Evolusi hari ke 400). Klon terakhir (klon 6) diisolasi setelah propagasi salah satu klon yang sebelumnya terisolasi (klon 1) untuk beberapa siklus seri pengenceran.
Gambar 4: Basis genetik dari transisi ke autotropi.Anehnya, jumlah mutasi cukup kecil. Peneliti membaginya menjadi tiga kategori utama.
Kategori pertama terdiri dari gen yang mengkode enzim dengan hubungan metabolik langsung dengan fungsi siklus Calvin. Gen ini, yang mengkode ribosa fosfat difosokinase, mengarahkan ribosa fosfat ke dalam biomassa.
Kategori kedua dari gen bermutasi terdiri dari mereka yang bermutasi dalam percobaan sebelumnya pada evolusi laboratorium adaptif: pcnB (R161P), rpoB (D866E), rpoD (F563S), malT (E359K) dan araJ (W156). Para ilmuwan menghubungkan mutasi ini dengan proses evolusi laboratorium, yaitu, mereka tidak selalu terkait dengan proses transisi bakteri ke autotropi. Demikian pula, sebuah mutasi ditemukan pada gen xylR yang menyandi protein pengatur untuk operon yang bertanggung jawab atas katabolisme gula D-xylose (E337K). Hal ini terkait dengan kelaparan xilosa yang berkepanjangan dalam chemostat selama budidaya, tetapi sama sekali tidak terkait dengan autotropi.
Kategori mutasi ketiga termasuk yang tidak memiliki peran karakteristik dan mungkin merupakan hasil dari fenomena seperti "loncatan genetik". Dalam isolat yang berbeda, ada 2 hingga 27 gen mutasi tambahan, beberapa di antaranya mungkin mutasi fenotip autotrofik, tetapi tidak sepenuhnya diperlukan untuk itu.
Di masa depan, para ilmuwan bermaksud untuk melakukan studi tambahan tentang mutasi genetik untuk menentukan yang mana dari mereka yang mendasar dan diperlukan untuk transisi bakteri ke autotropi.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat
laporan para ilmuwan dan
bahan tambahan untuk itu.
Epilog
Dalam studi ini, para ilmuwan mampu mencapai hasil yang sangat baik. Pertama-tama, perlu dicatat evolusi laboratorium - proses yang dikendalikan oleh para ilmuwan, yang memungkinkan mereka untuk mengubah tubuh sesuai dengan "desain" baru.
E. coli secara harfiah dipaksa oleh manipulasi evolusi untuk menjadi autotrof, menyerap CO
2 untuk menyediakan dirinya dengan karbon. Bakteri mutan semacam itu bisa sangat berguna bagi masyarakat yang menderita pemanasan global, salah satu alasan tepatnya adalah karbon dioksida. , ,
2 , . «» , . -, . -, , ,
2 . , , .
, , , -. , , . , , , .
, , , . :)
Sedikit iklan :)
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda
VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 ,
analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?