Бактериите, които превръщат пластмасовите отпадъци в болкоуспокояващи

По-рано тази година един изключителен нов начин за използване на отпадъчна пластмаса попадна в заглавията.

Често срещана бактерия беше генетично модифицирана, за да яде молекула, получена от пластмаса, и след това да я смила, за да произведе ежедневното болкоуспокояващо, парацетамол.

Микробът, използван от Стивън Уолъс, професор по химична биотехнология в Университета в Единбург, беше Escherichia coli, по-известна като E. coli.

Пръчковидна бактерия се намира в червата на хора и животни и може би сте по-запознати с нея като неприятен бактерия, която може да ни разболее.

Проф. Уолъс я избра автоматично, защото някои щамове на E. coli, които не са патогенни, се използват широко в лабораториите по биотехнологии и инженерна биология, за да се тества дали нещо може да работи.

E. coli е основният „работен кон“ в областта, казва проф. Уолъс, който също така я е генетично модифицирал в лабораторията, за да превърне пластмасовите отпадъци във ванилов аромат и мазнините от канализацията в парфюм.

„Ако искате да докажете, че нещо е възможно с биологията, E. coli е естествен първи етап“, казва той.

Употребата на микроба не е ограничена само до лабораторията. В промишлеността, съдовете с генетично модифицирана E. coli действат като живи фабрики, произвеждащи разнообразни продукти - от фармацевтични продукти като инсулин, жизненоважен за управление на диабета, до различни платформени химикали, използвани за производство на горива и разтворители.

Но как E. coli се е превърнала в такъв основен елемент в биотехнологиите, защо е толкова полезна и какво може да ѝ донесе бъдещето?

Доминирането на E. coli произтича от ролята ѝ на моделен организъм за разбиране на общите биологични принципи, казва Томас Силхави, професор по молекулярен биолог в Принстънския университет, който провежда изследвания на бактерията от около 50 години и е документирал нейната история.

Други познати моделни организми включват мишки, плодови мушици и хлебна мая. Маята, подобно на E. coli, също се е превърнала в безценен инструмент в биотехнологиите, както в лабораторията, така и в промишлеността - но има по-сложна клетъчна структура и различни приложения.

E. coli е изолирана за първи път през 1885 г. от немския педиатър Теодор Ешерих, изучаващ чревните микроби на кърмачетата. Бързорастяща и лесна за работа, учените започват да я използват за изучаване на основната бактериална биология.

След това, през 40-те години на миналия век, „случайност“ го катапултира в големия свят, казва проф. Силхави.

Непатогенен щам на E. coli (K-12) е използван, за да се демонстрира, че бактериите не само се делят, но могат да претърпят „бактериален секс“, при който споделят и рекомбинират гени, за да придобият нови черти.

Това е забележително откритие и E. coli се превръща в „много любимия организъм на всички“, казва той.

Това показва, че E. coli играе централна роля в много други открития и важни етапи в генетиката и молекулярната биология.

Използван е, за да помогне за дешифрирането на генетичния код, а през 70-те години на миналия век става първият организъм, генетично модифициран, когато в него е вмъкната чужда ДНК – полагайки основите на съвременната биотехнология.

Това също така решава проблем с производството на инсулин. Инсулин от говеда и свине е бил използван за лечение на диабет, но е причинявал алергични реакции при някои пациенти.

Но през 1978 г. е произведен първият синтетичен човешки инсулин с помощта на E. coli, което е огромен пробив.

През 1997 г. тя става един от първите организми, чийто цялостен геном е секвениран, което го прави по-лесен за разбиране и манипулиране.

Адам Файст, професор в Калифорнийския университет в Сан Диего, който еволюира микроби за промишлени приложения, казва, че цени E.coli заради многото ѝ полезни характеристики.

Освен огромните знания, натрупани за нейната генетика, и инструментите, които улесняват нейното инженерство, бактерията расте бързо и предвидимо върху голямо разнообразие от субстрати. Тя не е „капризната“ като някои, може да бъде замразена и съживена без проблеми и е необичайно добра в приемането на чужда ДНК.

„Колкото повече работя с повече микроорганизми, толкова повече оценявам колко стабилна е E.coli“, казва той.

Синтия Колинс е старши директор в Ginkgo Bioworks, компания, която помага на фирмите да разработват своите биотехнологични продукти и им е съдействала за използването на E.coli в промишлеността.

Въпреки че менюто от организми, достъпни за мащабно производство, е малко по-широко, отколкото преди няколко десетилетия – когато E. coli често беше единственият избор – тя често все още може да бъде „добър избор“ в зависимост от продукта, казва д-р Колинс. (Дори и с най-интензивното биоинженерство, E. coli не може да произведе всичко).

„Много е икономично; можете да изпомпате много“, казва тя, отбелязвайки, че ако бактерията произвежда нещо токсично за клетките, толерантност често може да бъде създадена.

И все пак има някои, които се чудят дали доминирането на E. coli може да ни пречи да намерим най-добрите биотехнологични решения за нашите проблеми.

Пол Йенсен, микробиолог и инженер в Мичиганския университет, изучава бактериите, които живеят в устата ни. Наскоро той анализира колко недостатъчно са били проучени повечето други бактерии в сравнение с E. coli.

Неговата гледна точка е, че докато ние напредваме с все по-обширното инженерство на E. coli, за да прави забележителни неща, може да има други микроби, които правят тези неща по естествен път – и по-добре – които не са обект на внимание и ние пропускаме да се възползваме от тях, защото не се търсят или изучават.

Биоразследванията в депата за отпадъци, например, може да разкрият микроби, които са започнали да ядат не само пластмаса, но и всякакви други отпадъци, казва той. И може да има бактерии, които правят неща – като например производството на цимент или каучук – за които дори не сме си представяли. Само бактериите, които живеят в устата ни, засенчват E. coli по киселинна толерантност, отбелязва той.

„Просто сме толкова задълбочени с E. coli, че не проучваме достатъчно“, казва той.

Има някои алтернативи, върху които хората работят, за да увеличат възможностите – включително Vibrio natriegens (V. nat), който започна да привлича вниманието като потенциален конкурент на E. coli.

V. nat е изолиран за първи път от солено блато в американския щат Джорджия през 60-те години на миналия век, но остава до голяма степен пренебрегван в колекциите от култури и фризерите до средата на 2010-те, когато е признат за ултрабързия си темп на растеж – два пъти по-висок от този на E. coli – което би могло да бъде значително индустриално предимство.

Той е също така много по-ефективен при приемането на чужда ДНК, казва Бъз Барстоу, биологичен и екологичен инженер в университета Корнел, който е сред разработващите организма, и казва, че способността му в сравнение с E. coli е като „преминаване от кон към кола“.

Д-р Барстоу се фокусира върху V. nat, защото иска да види микроби, използвани за справяне с големи предизвикателства пред устойчивостта – от производството на реактивно гориво от въглероден диоксид и зелена електроенергия до добива на редкоземни метали. „Просто казано, E. coli няма да ни доведе до нито една от тези визии. V. natriegens може би“, казва той.

Тази година неговата лаборатория основава компания, Forage Evolution, която работи върху инструменти, които да улеснят изследователите да го проектират в лабораторията.

Проф. Файст признава, че V. nat предлага атрактивни свойства, но генетичните инструменти, необходими за широко приложение, все още липсват и той все още не се е доказал в голям мащаб. „E. coli е трудно нещо за заместване“, казва той.