Cudowna bakteria

Co byśmy chcieli pod choinkę? Ja bym sobie życzyła wielu rzeczy, ale najbardziej, żeby nauka zaczęła realnie, skutecznie i szybko odpowiadać na kryzysy w dookolnej rzeczywistości. Nowe, tanie materiały zastępujące plastik, nowe sposoby magazynowania energii, jeszcze bezpieczniejsze szczepionki i antybiotyki, leki genetyczne zdolne ocalić życie dzieci z chorobami wrodzonymi, przykute często od urodzenia do łóżka… No i jakiś sposób akumulacji nadmiarów dwutlenku węgla obecnego w atmosferze. Samo zalesianie nie pomoże, trzeba szybko coś wymyślić.

Czego nie ma w naturze albo czego w naturze nie potrafimy jeszcze znaleźć (wiemy mniej o głębinach morskich niż o kosmosie), inżynierowie genetyczni czy tzw. biolodzy syntetyczni próbują zrobić. Pisałam o tym ostatnio, przy okazji bakterii zmuszonych do wytwarzania cukru bezpiecznego dla diabetyków i dla naszych zębów.

Dziś z kolei grupa uczonych izraelskich z Instytutu Weizmanna w Rehovot pod kierunkiem profesora Rona Milo chyba zabawiła się w mojego Aniołka czy Gwiazdora (dla Ślązaków: Dzieciątko). Udało im się bowiem – im oraz ewolucji w probówce – zrobić ze zwykłej pałeczki okrężnicy, bakterii obecnej masowo w naszych jelitach i jednej z nielicznych, której łacińską nazwę „Escherichia coli” zna chyba każdy, mikroba absolutnie cudownego. Nic dziwnego zatem, że opowiedzieli o swoim osiągnięciu na łamach najnowszego wydania topowego czasopisma naukowego „Cell”.

W naturze jest tak: albo jest się samożywnym (autotrofem) – co oznacza, że cały swój organizm buduje się dzięki asymilacji dwutlenku węgla i jego redukcji tak, by mogły powstawać inne cząsteczki organiczne. Albo jest się cudzożywnym (heterotrofem) – czyli aby tworzyć związki organiczne własnego ciała, trzeba jeść związki organiczne, rozkładać je (na ogół polega to na ich utlenianiu) na kawałki i z tych cegiełek tworzyć nowe, własne.

W ramach tego superprzyspieszonego kursu metabolizmu związków węgla trzeba jeszcze dodać, że aby asymilować CO2, potrzebna jest jakaś energia. Energia w świecie pochodzi z trzech źródeł podstawowych. Po pierwsze ze słońca. Taką wykorzystują ci samożywni, którzy jak rośliny czy bakterie zwane sinicami asymilują CO2 korzystając z zielonego barwnika – chlorofilu.

Po drugie – z rozpadu wiązań chemicznych w związkach nieorganicznych, np. amoniaku czy siarkowodoru. To nieczęste i dotyczy jedynie nielicznych rodzajów bakterii i tzw. archeonów. Takie przedziwne organizmy nazywamy chemolitoautotrofami.

Gdy już połamaliśmy sobie język – oto nadciąga cała reszta świata, z nami na czele, gdzie energia pochodzi z oddychania. Czyli, jak nas uczono w szkole – powolnego spalania „pokarmu” w tlenie (no powiedzmy, że to trochę naciągane, bo oddychanie może być beztlenowe i takowym są np. wszelkie fermentacje).

Czy oddychanie jest tlenowe, czy beztlenowe, wynika z tego, jaki związek jest na samym końcu „pochłaniaczem” przekazywanych w tym procesie elektronów. U nas jest nim tlen, i z jego redukcji powstaje woda. U bakterii fermentujących jest nim jakiś prosty cukier, a powstaje z niego na ogół jakiś kwas, co wie każdy, kto robił kiszone ogórki czy kapustę.

Tak my, jak i inne „cudzożywne” organizmy, w tym gros bakterii, a wśród nich pałeczka okrężnicy, które jedzą związki organiczne, zwiemy się naukowo heteroorganotrofami. Musimy z jednej strony pochłaniane związki organiczne porozrywać na kawałki (na ogół przez utlenianie), by z ich szkieletów węglowych zbudować potrzebne sobie związki organiczne, a z drugiej strony utlenić, i po to, by z tego czerpać energię do wszelkich życiowych procesów. Jako „produkt uboczny” oddychania wyrzucamy do atmosfery CO2. Z kolei autotrofy pochłaniają ów CO2 i tak to się kręci w naturze od co najmniej 3,5 mld lat.

I teraz uwaga: pomyślmy stworzenie, które będzie pozyskiwało energię z prostych związków organicznych, ale swe ciało i wszystkie białka, cukry i tłuszcze zbuduje z asymilowanego CO2. Taką właśnie – raczej nieistniejącą w naturze bakterię – udało się powołać do życia naukowcom z Instytutu Weizmanna w mieście Rechewoth blisko Tel Aviw.

W 1890 r. żydowscy emigranci z Polski za pieniądze barona Rothschilda założyli tam osadę. Dziś nie uprawia się tam już winnic, jak wtedy, takoż i populacja się zmieniła. Dziś miasto słynie z upraw cytrusów i z nauki. Bo poza nowoczesnym i naprawdę pozazdroszczenia godnym instytutem biologicznym, w którym pracuje profesor Milo, jest tam też słynna wyższa szkoła rolnicza ze sporym zapleczem badawczym.

Ponieważ grupa profesora Milo zajmuje się metabolizmem węgla i obiegiem energii w przyrodzie od lat, jej pomysł na zrobienie „cudownej pałeczki” nie zabrnął w próby wymuszenia na Escherichia coli klasycznej fotosyntezy. Układy białek i barwników sterujące procesem nawet najprostszej fotosyntezy bakteryjnej to bowiem kolosy – nanomaszyny, które ewoluowały miliard lat, kodowane przez wiele genów.

Pałeczka zatem, choć cudowna, pozostała zależna od pozyskiwania energii z utleniania jednego z najprostszych związków organicznych – mrówczanu (HCOOH). Na szczęście fotosynteza składa się nie tylko z „fazy jasnej” – skomplikowanego procesu pozyskiwania energii słonecznej i jej magazynowania pod postacią związków typu NADH i ATP.

Kluczowa w tym procesie jest również „faza ciemna”, zwana też cyklem Calvina, gdzie energia owa jest spożytkowana na zredukowanie dwutlenku węgla do związków organicznych. Niezbędne tu enzymy – ten, który pozwala na utylizację mrówczanu (zwany FDH) i te odpowiedzialne za przeprowadzanie cyklu Calvina – udało się w Rechewoth „włożyć” pod postacią kodujących je genów do Escherichia coli.

No ale jak zmusić bakterię o szerokim spektrum dostępnych strategii metabolicznych (co przekładając z naukowego na nasze oznacza, iż potrafi jeść cukry i mniej przystępne związki organiczne, a oddychać i tlenowo, i – w warunkach mocno ograniczonego dostępu tlenu – przeprowadzając fermentację), żeby się ograniczyła? Żeby wybrała właśnie tę ścieżkę przemiany materii, która odpowiada nam?

Na początku, mimo dołożenia jej genów, niespecjalnie chciała. Mrówczan bowiem to kwas mrówkowy – można powiedzieć żrąca, śmierdząca substancja, ani do porównania z taką słodziutką glukozą czy sacharozą. W tym wypadku jedyny obecny w tej cząsteczce atom węgla „szedł cały w gwizdek”, czyli w produkcje cząsteczki CO2. Mrówczan ma też bardzo korzystną dla swych nowych celów cechę – da się go tanio elektrochemicznie pozyskiwać na skalę przemysłową.

Jak bakteria nie chce rosnąć na jakiejś pożywce, trzeba jej najpierw dać inną, a potem powolutku dodawać tej pożądanej. Coraz więcej, i więcej, ograniczając jednocześnie tę ulubioną pożywkę. Każdego można przyzwyczaić wreszcie do nowej diety – dlaczego nie miałoby się dać przyzwyczaić „cudownej bakterii”? Na czym w istocie polega „przyzwyczajanie psa, żeby jadł trawę”?

Komórki bakteryjne, nawet gdy rosną wolno (a w trudniejszym do przeżycia środowisku bakterie rosną wolniej, co w konsekwencji oznacza, że rzadziej się dzielą na komórki potomne), ciągle tworzą nowe, potomne cząsteczki DNA. A w nich – dzięki samemu procesowi syntezy DNA – powstają mutacje.

Gdy mutacja jest korzystna, bakteria podzieli się na potomne komórki szybciej niż jej niezmutowane siostry, bo będzie szybciej rosła. A to znaczy, że w jednostce czasu ta zmutowana korzystnie komórka będzie miała więcej potomków. Ostatecznie po wielu pokoleniach to jej dzieci, wnuki, i prapraprawnuki będą dominować w populacji.

Uczeni z Instytutu Weizmanna, gdy twór ich genetyczno-inżynieryjnych wysiłków okazał się niedoskonały i do życia niezdolny, pozwolili działać naturze i jej naturalnie powstającym i ulegającym selekcji mutacjom. Wszystko według nieubłaganych darwinowskich praw. Zajęło to Escherichi coli hodowanej w chemostacie (czyli urządzeniu umożliwiającym ciągłe dostarczanie składników odżywczych i odprowadzanie produktów przemiany materii) 200 dni, by z tworu ludzkich wysiłków na niwie biologii syntetycznej stać się sprawnym życiowo wynikiem działania matki ewolucji.

Potrzebne było 11 kolejnych mutacji. W końcu bakteria nie potrzebowała już więcej organicznego węgla, cały czerpiąc z CO2, zaś jako jedyne jej źródło energii wystarczał mrówczan.

I tak to z heterotrofa w mniej niż rok zrobiono w laboratorium autotrofa. Przyszłość tego odkrycia? Nie tylko trzeba będzie uzupełnić podręczniki biochemii i fizjologii baterii o nową, niewykorzystaną dotąd przez naturę możliwość asymilacji CO2 w oparciu o energię pozyskaną z utleniania związku organicznego (to się będzie nazywało chemoorganoautotrof). Ta bakteria, niczym rośliny, produkuje biomasę z dwutlenku węgla. Wydajnie się nim odżywia, wiążąc go z atmosfery.

Jak by się jeszcze trochę postarać, to taki mikroorganizm – czy raczej jego dalej udoskonalone potomstwo – może pomóc rozwiązywać problem nagromadzenia CO2 w atmosferze znacznie sprawniej, niż próby pompowania tego gazu cieplarnianego do wyrobisk kopalnianych czy gwałtowne zalesianie etc.

Escherichia coli to bakteria modelowa w genetyce. Istnieją setki, jeśli nie tysiące narzędzi i sposobów uzyskania z niej leków czy innych cennych związków chemicznych na przemysłową skalę. Dlaczegóż nie z takiej pałeczki, która cały swój węgiel czerpie dosłownie z powietrza? Gdzie nie tylko jest on darmowy, a w zasadzie szukamy na gwałt sposobów, by go tam było mniej.

#bakterie #nauka #uczeni #izrael #cukier