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Guardare i batteri evolversi in laboratorio
Utilizzando nuove e rapide tecnologie di sequenziamento del DNA, i ricercatori dell'Università della California-San Diego hanno seguito i cambiamenti evolutivi in E. coli cresciuto in condizioni di stress. Sono stati in grado di identificare quali geni sono mutati, quando e quali sono stati gli effetti sulla crescita dei batteri. I ricercatori affermano che la tecnica, chiamata evoluzione sperimentale, aiuterà coloro che cercano di imparare come ingegnerizzare geneticamente i batteri per sfornare alte concentrazioni di etanolo e altre sostanze chimiche utili (vedi Fabbriche batteriche).
Batteri come E. coli si evolvono in modo relativamente rapido: si dividono rapidamente e in modo approssimativo, trasmettendo copie piene di errori delle loro informazioni genetiche alla generazione successiva. Utilizzando la nuova tecnologia dei microarray, Bernhard Palsson, professore di bioingegneria, ei suoi colleghi hanno studiato questa rapida evoluzione su scale temporali molto brevi con un alto livello di dettaglio.
Il progresso potrebbe essere particolarmente utile per i biologi sintetici che stanno riprogettando i batteri per dare loro nuove funzioni. Questo approccio ci darà nuove intuizioni sulla risposta adattativa [degli organismi] alle parti sintetiche inserite, come nuovi geni o reti di geni, afferma James Collins , professore di ingegneria biomedica alla Boston University. I ricercatori stanno inserendo queste nuove parti per controllare meglio la sintesi dei microbi di un particolare composto utile per l'uomo. (Ad esempio, i ricercatori hanno ingegnerizzato un lievito che produce un farmaco contro la malaria; vedi Farmaci contro la malaria più economici .)
In una serie di esperimenti, Palsson e i suoi collaboratori hanno fornito E. coli solo con glicerolo, che i microbi non metabolizzano molto bene, per l'alimentazione. Le cellule sono cresciute lentamente all'inizio, ma dopo 20 giorni sono cresciute del 150 percento più velocemente e a 44 giorni erano fiorenti. Quelli che erano più adatti all'ambiente si sono impossessati della cultura, afferma Christopher Herring, che ha lavorato alla ricerca come postdoc nel laboratorio di Palsson. Ci sono stati cambiamenti drammatici nel modo in cui [bene] le cellule sono cresciute in un breve periodo di tempo.
L'evoluzione sperimentale potrebbe rivelarsi un potente strumento per i ricercatori che lavorano sull'ingegneria metabolica, afferma Herring. Le reti genetiche del metabolismo sono complesse e includono elementi che i ricercatori avrebbero difficoltà a prevedere. Herring afferma che l'evoluzione sperimentale può mostrare connessioni tra diversi sistemi fisiologici [che noi] non conoscevamo prima. Herring ora è un ricercatore a Cambridge, MA con sede Mascoma , che spera di progettare microrganismi che convertano in modo efficiente la biomassa in etanolo (vedi Redesigning Life to Make Ethanol ).
Collins afferma che l'ingegneria metabolica è spesso eseguita in modo irrazionale. Quando i ricercatori introducono nuove parti a batteri o lieviti, non sanno se sono state introdotte altre mutazioni, per non parlare di come potrebbero essere coinvolti altri percorsi. Il sequenziamento comparativo del genoma potrebbe fornire questo tipo di informazioni, consentendo ai ricercatori di prevedere meglio gli effetti dei cambiamenti geneticamente modificati e di identificare rapidamente quali cambiamenti portano ad attributi favorevoli.
Gregory Stephanopoulos , un ingegnere chimico del MIT e leader nel campo dell'ingegneria metabolica, è più scettico sull'impatto dell'approccio di San Diego. Sequenziare i genomi e analizzarli per trovare mutazioni rilevanti non è il problema, dice. Nell'esperimento di crescita di Palsson e Herring, era ovvio che E. coli che è cresciuto bene valeva la pena risequenziare per trovare le mutazioni rilevanti, dice. Ma quando si lavora su un problema complesso come migliorare l'efficienza di produzione di etanolo di un microbio, dice, in alcuni casi è possibile identificare ceppi superiori, ma in generale non è semplice.
Tuttavia, Stephanopoulos e gli altri affermano che il sequenziamento comparativo del genoma può ora aiutare i ricercatori ad attribuire i cambiamenti nei tratti dei microbi (come la capacità di prosperare sul glicerolo) ai cambiamenti nel genotipo. In tal modo, la tecnologia potrebbe aiutare i microbiologi e le aziende farmaceutiche a studiare come emergono i ceppi di batteri resistenti agli antibiotici, un grave problema di salute, e quali mutazioni sono responsabili.