Mokslininkai sukūrė pirmąsias šviesa varomas mieles

Mielės yra angliavandenių mėgėjos, kurios išlaiko save fermentuodamos cukrų ir krakmolą iš tokių šaltinių kaip tešla, vynuogės ir grūdai, o duona, vynas ir alus yra sėkmingi šalutiniai produktai. Mokslininkai sugebėjo padaryti vieną mielių rūšį mažiau priklausomą nuo angliavandenių, leisdami joms naudoti šviesą kaip energiją.

Darbas, apie kurį pranešta balandžio mėnesį išankstinio spausdinimo serveryje bioRxiv, yra „pirmasis žingsnis sudėtingesniuose dirbtinės fotosintezės būduose“, – sako Magdalena Rose Osburn, Šiaurės Vakarų universiteto geobiologė, kuri nedalyvavo tyrime. Tai taip pat apibendrina pagrindinį evoliucinį perėjimą – šviesos panaudojimą. „Tai nepaprasta“, – sako Notre Dame universiteto grybelinių ląstelių biologas Felipe Santiago-Tirado. „Tam tikru mastu tai tarsi gyvūno pavertimas augalu“.

Na, ne visai. Norėdami paversti anglies dioksidą į cukrų, skatinantį gyvybę Žemėje, augalai naudojasi baltymų kompleksu, kuriame yra chlorofilo, kad perneštų elektronus ir protonus, kurie atlieka chemines reakcijas ir perduoda energiją. Tyrėjai daugelį metų dirbo siekdami atkurti fotosintezę, siekdami ištirti, kaip efektyviau panaudoti šviesą kaip saulės baterijų ir kitų įrenginių energijos šaltinį bei veisti augalus ir kitus organizmus, kad jie būtų produktyvesni.

Tačiau chlorofilo kompleksui atlikti savo darbą reikia daug kitų molekulių. Taigi Džordžijos technologijos instituto genetikas Anthony Burnetti ir Georgia Tech evoliucinis biologas Williamas Ratcliffas ieškojo paprastesnio sprendimo. Jie pasisavino baltymą, žinomą kaip rodopsinas, kuriam nereikia didelės molekulinės palydos. Tai sprendimas, kurį taip pat pasisavino ir gamta: bakterijos, kai kurie protistai, jūros dumbliai ir net dumblių virusai naudoja rodopsiną, kad šviesą paverstų naudinga energija, dažnai siurbiant protonus ląstelių funkcijoms.

Tyrėjai pradėjo įterpdami rodopsino geną, priklausantį jūrinei bakterijai, į alaus mieles (Saccharomyces cerevisiae) Petri lėkštelėje. Burnetti tikėjosi, kad rodopsinas pateks į mielių vakuolę – fermentų pripildytą maišelį, kuris skaido nereikalingus baltymus. Energijos molekulė, vadinama adenozino trifosfatu (ATP), skatina procesą pumpuodama protonus į vakuolę, kad jos vidus būtų rūgštus – optimalus skaidymui.

Burnetti susimąstė, ar šviesos energija galėtų atlikti šį darbą. Tačiau pirmosios komandos pastangos nepasiteisino, nes šio geno pagamintas rodopsino baltymas pateko į kitą skyrių, žinomą ne dėl baltymų skaidymo, o dėl baltymų sintezės. Taigi Burnetti ieškojo rodopsino, kuris jau žinomas, kad yra vakuolėse. Jis apsisprendė naudoti vieną iš kukurūzus užkrečiančių grybelinių ligų sukėlėjų. Prie baltymo pritvirtinę žalią fluorescencinę žymę, jis ir jo kolegos patikrino, ar jis lokalizuotas mielių vakuolėje, kaip jie tikėjosi.

Absolventė Autumn Peterson, Burnetti komandos narys, žengė žingsnį toliau, kad įrodytų, jog šios inžinerinės mielės iš tiesų naudoja šviesą. Naują atmainą ji augino tame pačiame inde kaip ir originalias, nepakitusias mieles ir veikė žalia šviesa, kuriai jautriausias bangos ilgis rodopsinas. Mokslininkai nustatė, kad šviesai jautrių kamienų ląstelės gyveno trumpiau, tačiau dauginosi pakankamai greitai, kad užaugtų 0,8 % labiau nei šviesai nejautrūs kamienai. Tai „didžiulis pranašumas“, sako Santiago-Tirado. Laikui bėgant, Petersonas tikisi, kad šviesą naudojančios ląstelės galiausiai pakeis nepakitusias, lygiai kaip ankstyvieji šviesos vartotojai galėjo pakeisti savo konkurentus gamtoje prieš eonus.

Burnetti ir jo kolegos mano, kad šviesa skatina rodopsiną pumpuoti daugiau protonų į vakuolę, sumažindama ląstelių poreikį šiai užduočiai eikvoti ATP, o vietoj to atlaisvina energiją, kad ląstelė galėtų augti kitais būdais. Padidinus rūgštingumą vakuolės viduje, jis gali sumažėti už vakuolės ribų, todėl fermentai ten veikia greičiau ir greičiau susidėvi, o tai taip pat gali padėti paaiškinti didesnį šių pakitusių ląstelių mirtingumą. Kad ir kaip tai veiktų, „Tai akivaizdžiai naudinga mielių ląstelėms“, – sako Michaelas McMurray'us, Kolorado universiteto Anschutz medicinos universiteto molekulinis biologas.

Tačiau eksperimentas negali atskleisti daug informacijos apie tai, kaip rodopsino naudojimas vystėsi gamtoje. „Manau, kad autoriai per daug pabrėžia savo darbo evoliucinę reikšmę“, – sako Robertas Blankenshipas, Vašingtono universiteto Sent Luise emeritas biochemikas. „Tai yra dirbtinė konstrukcija ir nėra natūralios evoliucijos produktas.“

Kiti mano, kad darbas gali būti pritaikytas pramonei, medicinai ir pagrindiniams tyrimams. Biologas Alaattin Kaya, tyrinėjantis senėjimą Virdžinijos Sandraugos universitete, teigia, kad šios mielių ląstelės gali padėti išsiaiškinti, kodėl kartais atrodo, kad vakuolių rūgštėjimas per visą ląstelės gyvenimą sukelia mitochondrijų veikimo sutrikimus ir savo ruožtu paspartina senėjimą. Jis norėtų pridėti rodopsino į pačias mitochondrijas, kad galėtų stebėti jo poveikį.

Burnetti taip pat norėtų nusitaikyti į mitochondrijas, bet dėl kitos priežasties. „Nors atrodo, kad gamtoje to niekada nebuvo, mes tikrai planuojame galiausiai įdėti rodopsiną į mitochondrijas.“ Kadangi mitochondrijos gali efektyviai gaminti ATP, rodopsino pridėjimas galėtų gauti daug energijos tiesiai iš saulės, kaip ir fotosintezės metu. Šiuo atžvilgiu mielės būtų šiek tiek panašesnės į augalus.

Autorė Guoda Varnelytė

Šaltinis: https://www.science.org/content/article/scientists-engineer-first-light-powered-yeast