Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Dopisy od mladého biologa

Tuto poznámku jsem obdržel před několika měsíci. Byl to součást e-mailového řetězce, který začal náš společný přítel Mac Cowell. Mac mi řekl, že Cory pracuje na zajímavém projektu biologie, který začal v jeho bytě, a nyní se rozkvétal v prostoru LA Biohackers. Musel jsem vědět víc.

Citoval jsem Coryho projekt v předchozím příspěvku o různých typech amatérů, kteří předefinují a reimagují občanskou vědu a průzkum.

Zde je Cory:

9. září Cory Tobin 9/9, 1:54 am

OK, nechci dělat žádné předpoklady o svých znalostech o bio / chemii, takže vám budu jen dávat své typické hry od základů. Nenechte se urazit, pokud to už víte. Mimochodem, tady je…

Všechny živé látky potřebují k výstavbě bílkovin dusík. Dusík je v ovzduší poměrně bohatý (78%), ale je ve formě N2, což je velmi stabilní molekula, takže jeho použití je téměř nemožné. Lidé dostávají nějaký dusík z rostlinných bílkovin nebo více z masa, které, zatímco maso bylo stále naživu, ho dostalo z jedení rostlin. Většina rostlin dostává dusík z půdy buď ve formě amoniaku, dusičnanů, volných aminokyselin nebo v menší míře i dusitanů. Tyto sloučeniny jsou většinou výsledkem jiných rozkládajících se organismů. Ale odkud původně pochází? V určitém okamžiku to někdo musel dostat z atmosféry, jinak by byla čistá ztráta, protože tyto sloučeniny obsahující dusík jsou promyty do oceánu nebo přeměněny na plynný dusík a vrátí se do atmosféry.

Než lidé začali zasahovat do jediného suchozemského zdroje dusíku (budu oceán prozatím ignorovat), byly u některých druhů rostlin kořenové uzliny.Existují bakterie, které žijí v těchto uzlících, které přeměňují N2 (plynný dusík) z atmosféry na NH3 (amoniak), který rostlina snadno používá. Je to symbiotický vztah, kdy rostlina dodává příjemné prostředí pro bakterie a sacharidy z fotosyntézy, zatímco bakterie produkují amoniak, který se rychle přemění na aminokyseliny. Důvodem uzliny je to, že bakteriální enzymy, které reagují s N2 ==> NH3 reakcí, nazývané „dusíkové“, jsou otravovány kyslíkem. Uzel poskytuje prostředí relativně bez O2, takže enzymy mohou pracovat efektivně.

Na související tečné ploše je jednou z hlavních složek hnojiva dusičnan amonný. Toto je produkováno Haberovým procesem, kde se zemní plyn používá k ohřevu plynného N2 až na vysoké teploty v přítomnosti katalyzátoru pro výrobu různých sloučenin dusíku. Předpokládá se, že v této jediné chemické reakci se používá přibližně 2% celkové světové dodávky energie, ačkoli jsem v této oblasti ještě nenašel pevné údaje.

Každopádně, zemědělci sprejují tyto věci ve svých polích, aby se zlepšil výnos, ale spousta z nich jde do odpadu, protože se stéká do vodních toků, což způsobuje toxické květy řas a nakonec do moře, kde způsobuje více problémů pro život oceánu. Zpátky do příběhu…

Aby tyto bakterie a jejich dusíkaté látky fungovaly, potřebují prostředí bez kyslíku. Takže nemůžete brát bakterie a kabát s ním a doufat, že to bude fungovat.

Pouze některé druhy rostlin mají uzliny k udržení fixace dusíku. A bohužel rostliny, které lidé pěstují v největším množství (kukuřice, rýže, pšenice), nemají uzliny. Lidé se již delší dobu pokoušejí vytvořit kořenové uzliny do nodulačních druhů bez velkého štěstí. Ukazuje se, že je to poměrně složitý jev. V ideálním případě by bylo možné, aby rostlina vyprodukovala uzliny, takže zemědělci nemusejí všude vykládat tolik hnojiv, a to buď nějakým speciálním nátěrem semen nebo genetickou modifikací. Ale zatím žádné štěstí. Jediná věc, kterou jsem viděl nedávno, která by mohla být slibná, je tato společnost - azotictechnologies.com Já vím, na čem pracují, ale ještě jsem neviděl žádné údaje, které by ukazovaly, že to může nahradit hnojivo.

Jedním z možných způsobů, jak tento problém uzlíku překonat, je přijít s dusíkem, který je tolerantní vůči kyslíku. Pak byste se nemuseli zabývat inženýrstvím nebo indukováním nodulace. Dokážete si představit, kdybyste měli takový systém, který by mohl jednoduše dát gen přímo do rostliny, takže nejsou potřeba žádné bakterie, nebo by se mohl vytvořit zárodek semen obsahující některé bakteriální spory nesoucí tento gen atd. a méně znečišťující a nehospodárné než hnojivo.

V 90. letech minulého století byl v Německu tento profesor Ortwin Meyer, který náhodou našel bakterii, která údajně fixovala dusík v přítomnosti kyslíku. On a jeho tým vlastně hledali bakterie, které snížily oxid uhelnatý a náhodně objevily tento dusík. V Německu lidé dělají dřevěné uhlí pohřbením palivového dřeva a zapálením pod zemí tak to podstoupí pyrolýzu, vyhánět všechny druhy ošklivých plynů a opouštět uhlí. Meyer et al vzali některé půdní vzorky z vrcholu jednoho z těchto „hromádek“ dřevěného uhlí pro nedostatek lepšího slova. Jedna z bakterií, kterou izoloval z půdy, spotřebovala oxid uhelnatý, ale také pevný dusík. Nazývali to Streptomyces thermoautotrophicus.

V určitém okamžiku všichni studenti a postdoktori opustili laboratoř a nikdo nesledoval projekt zkoumající funkci dusíku. Obrátil jsem se na všechny, kteří na tom pracovali a všichni tvrdili, že tento druh už nemají. Nevěřím jim, ale je to irelevantní. Zdálo se, že tento druh byl ztracen. Po tom, co jsem se dostal od všech těch lidí, jsem se rozhodl pokusit se druh izolovat sám. To je místo, kde jsem měl neuvěřitelně štěstí. Měl jsem si dnes koupit lotosový lístek. Mluvil jsem s jedním z mých německých přátel, Dirkem, o tomto projektu, který se snažil zjistit, jestli jsem spáchal nějaké kulturní faux pas, které by mohly vysvětlovat, proč tito vědci byli obtížní a káderní. Řekl mi, že soused jeho otce vlastní „továrnu“ na uhlí v oblasti, kde byl izolován S. thermoautotrophicus. Dirk mu zavolal a ukázalo se, že tenhle člověk vlastní přesnou vlastnost, kde Meyer tento druh izoloval. Tak mi ten chlap odešle vzorek půdy z jednoho ze svých hromádek uhlí, abych se pokusil tento druh izolovat.

To vyvolává otázku, jak mám jít o re-izolaci bakterií. Z literatury jsem věděl, že základním přístupem je umístit vzorek půdy do baňky, zakrýt ji trochou vody obsahující některé soli, minerály a další mikroživiny, zahřát až na 65 ° C a pak pumpovat do plynů, které tento druh miluje. jíst. Spotřebuje buď oxid uhelnatý nebo kombinaci vodíku a oxidu uhličitého. Vzhledem k tomu, že práce s CO v mém bytě (to vše bylo hotovo DIY styl) bylo mimo otázku jsem šel s H2 / CO2. Můj počáteční návrh zahrnoval vzduchotěsnou růstovou komoru s topným článkem, vodík vyrobený z elektrolýzy vody a CO2 dodávaný z nádoby, přes některé trubky a ventily připojené k komoře. Tato věc byla úplná katastrofa a nikdy jsem ji nechal běžet déle než pár dní, než se některá část stala příliš zkorodovanou z vysoké teploty, vlhkosti a korozního plynu.

Můj druhý design byl soustředěn kolem plastového chladiče, který jsem sebral z Targetu. Uvnitř byla umístěna tepelná lampa řízená přes relé a Arduino, které udržely teplotu 65 ° C. Vzorek půdy seděl uvnitř baňky s příslušnou směsí vitamínů a minerálů. Pro generování plynů jsem měl 2 velké plastové kelímky, 1 pro vodík a 1 pro oxid uhličitý. Pro výrobu vodíku jsem umístil hliníkový prášek do šálku, potom nalil do 1M NaOH. Pro výrobu oxidu uhličitého jsem šel do školky-věda-fair-styl a smíšené jedlé sody a octa. Tak jsem vypustil kapaliny do prášků a pak rychle zavřel víko chladiče, abych zachytil plyny dovnitř. Udělal bych to dvakrát denně, aby se koncentrace plynů zvýšila. Nakonec jsem dostal nějaké bakterie, které rostly, což odpovídalo popisu původního druhu. Takže jsem izoloval to, co vypadalo jako původní bakterie dusíku fixující dusík.

Mezitím, protože jsem to všechno publikoval na veřejné wiki, jsem dostal pozornost několika dalších vědců, kteří měli zájem pomáhat. Naše spolupráce potvrdila, že tyto bakterie skutečně fixují dusík. Udělali jsme to pěstováním v přítomnosti izotopu 15-N2, což je nerádioaktivní izotop dusíku, který se vyskytuje velmi vzácně v přírodě. Extrahovali jsme bílkoviny z bakterií a vedli je hmotnostním spektrometrem. Hmotnostní specifikace ukázala, že 15N byl inkorporován do proteinů, takže víme, že je to dusík. Také jsme sekvencovali genom této bakterie, který se ukázal být obtížnější, než se původně plánovalo, ale většinou se to dělá. Cílem je nyní dvojí: 1) zjistit, které geny kódují pro dusíkázu a 2) určit, zda je dusík v podstatě O2 tolerantní. Původní výzkum tohoto druhu byl nejednoznačný, takže se musíme ujistit.

Právě teď řešíme # 1 pomocí RNA-Seq, abychom v podstatě změřili, které geny jsou zapnuty, když jsou bakterie nuceny fixovat svůj vlastní dusík (odstraňují čpavek z růstového média). Takže jsme pěstovali jeden vzorek s amoniakem a jeden bez, pak změřte úroveň exprese pro všechny geny (RNA-Seq), porovnejte 2 vzorky a zjistěte, které z nich se objeví, když se odstraní amoniak. Tyto geny * by měly být * ty, které se podílejí na dráze dusíku, ale biologie je vždy chaotická a komplikovaná, takže pravděpodobně nebude tak přesvědčivá. Nakonec budeme muset provést knockouty, kdy odstraníme geny, o kterých si myslíme, že jsou zapojeny, a zjistíme, zda zabíjí funkci dusíku, která je 100% jistá.

Pokud jde o # 2, to je nyní na zadním hořáku, protože bude velmi obtížné testovat bez # 1.

Mým konečným cílem je být schopen vzít si soubor genů ze Streptomyces thermoautotrophicus a dát je do jiného druhu, buď rostliny nebo řasy, nebo něco takového, aby také tento druh fixoval svůj vlastní dusík. Bylo by to velmi užitečné nejen v odvětví zemědělství, ale také v oblasti průmyslových biopaliv.

Takže pokud máte antsy a přeskočili do konce, cílem je vytvořit biologické systémy, které nepotřebují hnojivo na bázi dusíku. Jsme stále ještě daleko od tohoto cíle, ale děláme neustálý pokrok.

Pokud máte nějaké dotazy, dejte mi vědět. Vždycky jsem rád, že mohu mluvit s vědou. Omlouvám se za novelu.

Cory je dokonalým příkladem typu profesionála, který využívá nových amatérských nástrojů a modelů. Domnívám se, že tento trend poroste pouze: projekty jako Cory uspějí na Kickstarter nebo Experimentu, biospaces (nový, právě otevřený vedle nás v Berkeley) začnou vytvářet velmi relevantní projekty a doufejme, že grantové nadace si uvědomí, že je to velké potenciál při nasazení velkého množství těchto nízkorozpočtových amatérských projektů s nějakou formou mikrograntu, a další post docs, jako je Cory, zahájí své vlastní tvůrčí projekty. To je alespoň moje naděje.

Podíl

Zanechat Komentář