На початку цього року з’явилися вражаючі новини про новий спосіб використання пластикових відходів.
Звичайну бактерію генетично модифікували, щоб вона могла перетворювати молекули, що походять від пластику, на звичний знеболювальний препарат – парацетамол.
Мікроб, який використовував Стівен Уоллес, професор хімічної біотехнології в Единбурзькому університеті, – це Escherichia coli, або ж E. coli.
Ця паличкоподібна бактерія знаходиться в кишечнику людей та тварин, і ви, можливо, краще знаєте її як неприємний мікроб, що може викликати хвороби.
Професор Уоллес вибрав її саме через те, що деякі штами E. coli, які не є патогенними, широко використовуються в біотехнології та лабораторіях для перевірки, чи може щось працювати.
«E. coli є основним “робочим конем” цієї сфери», – зазначає професор Уоллес, який також генетично модифікував цю бактерію в лабораторії, перетворюючи пластикові відходи на ванільний аромат і відходи з колекторів на парфуми.
«Якщо ви хочете довести, що щось можливе з біологією, E. coli – це природний перший вибір», – говорить він.
Використання цього мікроба не обмежується лише лабораторією. В промисловості, ванни з генетично модифікованим E. coli виконують роль живих фабрик, які виробляють різноманітні продукти – від лікарських засобів, таких як інсулін, важливий для лікування діабету, до різних платформних хімікатів, що використовуються для виготовлення пального та розчинників.
Але чому E. coli стала такою основною в біотехнології, якими її переваги, і яке може бути її майбутнє?
Домінування E. coli пояснюється її роллю як модельного організму для розуміння загальних біологічних принципів, говорить Томас Сілхаві, професор молекулярної біології в Принстонському університеті, який близько 50 років проводить дослідження на цій бактерії.
Серед інших знайомих модельних організмів – миші, плодові мушки та пекарські дріжджі. Дріжджі, як і E. coli, також стали цінним інструментом у біотехнології – як у лабораторіях, так і в промислових умовах, але мають складнішу клітинну структуру і різні застосування.
E. coli вперше було ізольовано в 1885 році німецьким педіатром Теодором Ешеріхом, який вивчав мікроби в кишечнику немовлят. Швидко ростучи та легко оброблюючись, вчені почали використовувати її для вивчення основ біології бактерій.
Потім, у 1940-х роках, «випадковість» винесла її на перший план, говорить професор Сілхаві.
Непатогенний штам E. coli (K-12) використовували для демонстрації того, що бактерії можуть не лише ділитися, а й здійснювати «бактеріальний секс», обмінюючись та рекомбінуючи гени для отримання нових рис.
Це стало знаковим відкриттям, і E. coli стала «улюбленим організмом усіх», зазначає він.
E. coli зіграла центральну роль у багатьох відкриттях і досягненнях у генетиці та молекулярній біології.
Вона допомогла розшифрувати генетичний код, а в 1970-х роках стала першим організмом, якого генетично модифікували, вставляючи в неї чужу ДНК – що заклало основу для сучасної біотехнології.
Цей мікроб також допоміг вирішити проблему виробництва інсуліну. Інсулін з великої рогатої худоби та свиней використовувався для лікування діабету, але викликав алергічні реакції у деяких пацієнтів.
У 1978 році за допомогою E. coli було вироблено перший синтетичний людський інсулін, що стало великим проривом.
У 1997 році вона стала одним з перших організмів, у яких було повністю секвеновано геном, що спростило її вивчення та маніпуляцію.
Адам Файст, професор в університеті Каліфорнії в Сан-Дієго, який займається еволюцією мікробів для промислових застосувань, зазначає, що цінує E. coli за численні корисні риси.
Крім величезного обсягу знань про її генетику та інструменти, які полегшують її модифікацію, ця бактерія швидко та передбачувано росте на різноманітних субстратах. Вона не є “примхливою”, як деякі інші, може бути заморожена і без труднощів відновлена, і є незвичайно доброю в господарюванні чужої ДНК.
«Чим більше я працюю з іншими мікроорганізмами, тим більше я ціную, наскільки стійкою є E. coli», – зазначає він.
Сінтія Коллінз є старшим директором у компанії Ginkgo Bioworks, яка допомагає фірмам розвивати їх біотехнологічні продукти, і допомагала їм використовувати E. coli в промисловості.
Хоча вибір організмів для масового виробництва наразі дещо ширший, ніж декілька десятиліть тому, коли E. coli була часто єдиним вибором, вона все ще може бути «добрим вибором» в залежності від продукту, говорить доктор Коллінз. (Навіть при найбільш інтенсивному біоінженерії E. coli не може виробляти все).
«Це дуже економічно; ви можете виробляти багато», – говорить вона, зазначаючи, що якщо бактерія виробляє щось токсичне для клітин, то толерантність часто можна налаштувати.
Проте, є деякі, хто вважає, що домінування E. coli може заважати нам знайти найкращі біотехнологічні рішення для наших проблем.
Пол Йенсен, мікробіолог і інженер в університеті Мічигану, вивчає бактерії, що живуть у нашому роті. Він нещодавно проаналізував, наскільки недооціненими є більшість інших бактерій у порівнянні з E. coli.
Його думка полягає в тому, що поки ми активно вдосконалюємо E. coli для виконання видатних завдань, можуть існувати інші мікроби, які вже здатні робити це природним чином – і краще, які не потрапляють під наш радар і вивчаються недостатньо.
Дослідження сміттєзвалищ, наприклад, може виявити мікроби, які почали їсти не лише пластик, але й різні інші відходи, говорить він. І можуть бути бактерії, які займаються такими справами, як виготовлення цементу чи гуми, про які ми ще не можемо навіть уявити. Лише бактерії, що живуть у нашому роті, перевершують E. coli за стійкістю до кислоти, зазначає він.
«Ми настільки занурені в E. coli, що недостатньо їх досліджуємо», – говорить він.
Є альтернативи, над якими працюють, щоб розширити вибір – включаючи Vibrio natriegens (V. nat), яка почала привертати увагу як потенційний конкурент для E. coli.
V. nat була вперше ізольована в солончаку в штаті Джорджія в США ще в 1960-х роках, але залишалася переважно невідомою в культурах і морозильниках до середини 2010-х років, коли її визнали за ультрашвидку швидкість росту – вдвічі більше, ніж у E. coli – що може стати суттєвою промисловою перевагою.
Вона також набагато ефективніше вбирає чужу ДНК, говорить Баз Барстоу, біологічний та екологічний інженер у Корнельському університеті, який розробляє цей організм, і зазначає, що її можливості у порівнянні з E. coli подібні до «пересування з коня на автомобіль».
Основним стимулом для доктора Барстоу є бажання бачити, як мікроби використовуються для вирішення великих проблем стійкості – від виробництва авіапального з вуглекислого газу та зеленої електрики до видобутку рідкоземельних металів. «Просто кажучи, E. coli не допоможе досягти жодної з цих цілей. V. natriegens може», – говорить він.
Цього року його лабораторія створила компанію Forage Evolution, яка працює над інструментами для спрощення інженерії цього мікроба в лабораторії.
V. nat дійсно має привабливі властивості, визнає професор Файст, але необхідні генетичні інструменти для широкого використання поки що відсутні, і вона ще не довела свою ефективність у великому масштабі. «E. coli – це важка річ для заміни», – зазначає він.
