תאית חיידקית במצב רטוב. שיטה פורצת דרך של ETH ציריך משתמשת במוטציה Komagataeibacter sucrofermentans לייצר 70% יותר תאית, חומר קריטי לתעשיות שונות. לגישה יעילה ובת קיימא זו יש פוטנציאל ליישומים רחבים יותר והיא הולכת לקראת בדיקות תעשייתיות. קרדיט: Peter Rüegg / ETH ציריך
חוקרי ETH שינו חיידקים מסוימים עם אור UV כך שהם מייצרים יותר תאית. הבסיס לכך הוא גישה חדשה שבאמצעותה החוקרים מייצרים אלפי וריאנטים חיידקיים ובוחרים את אלו שהתפתחו לפרודוקטיביים ביותר.
- חוקרי חומרים ב-ETH ציריך יצרו 40,000 גרסאות של החיידק המייצר תאית Komagataeibacter sucrofermentans.
- ביניהם היו ארבעה המייצרים עד שבעים אחוז יותר תאית מאלו שבצורתם המקורית.
- החוקרים השיגו זאת באמצעות גישה חדשה שפותחה במיוחד למטרה זו, עליה רשמו פטנט.
- תאית היא חומר גלם מבוקש מאוד עבור מזון, טקסטיל, ויישומים ביו-רפואיים, למשל.
ייצור חיידקים בר קיימא
חיידקים מייצרים חומרים המעניינים את בני האדם, כמו תאית, משי ומינרלים. היתרון של ייצור חיידקים בדרך זו הוא שהוא בר קיימא, מתרחש בטמפרטורת החדר ובמים. החיסרון הוא שהתהליך לוקח זמן ומוליד כמויות קטנות מכדי לשמש תעשייתי.
כתוצאה מכך, חוקרים מנסים מזה זמן מה להפוך מיקרואורגניזמים למיני-מפעלים חיים שיכולים לייצר כמויות גדולות יותר של מוצר רצוי מהר יותר. זה דורש התערבות ממוקדת בגנום או טיפוח של זני החיידק המתאימים ביותר.
שיטות אבולוציוניות להגברת הייצור
גישה חדשה מוצגת כעת על ידי קבוצת המחקר בראשות אנדרה סטודארט, פרופסור לחומרים מורכבים ב-ETH ציריך, תוך שימוש בחיידק המייצר תאית Komagataeibacter sucrofermentans. בעקבות עקרונות האבולוציה על ידי ברירה טבעית, השיטה החדשה מאפשרת למדענים לייצר עשרות אלפי גרסאות של החיידק במהירות רבה ולבחור את אותם זנים שמייצרים הכי הרבה תאית.
עם מערכת מיון זו במיקרו פורמט, ניתן לארוז תאים בודדים לתוך בועות זעירות. קרדיט: ג'ולי לורן / ETH ציריך
ק.סוכרפרמנטנס מייצרת באופן טבעי תאית בטוהר גבוה, חומר המבוקש מאוד ליישומים ביו-רפואיים ולייצור חומרי אריזה וטקסטיל. שתי תכונות של תאית מסוג זה הן שהיא תומכת בריפוי פצעים ומונעת זיהומים. "עם זאת, החיידקים גדלים לאט ומייצרים כמויות מוגבלות של תאית. לכן היינו צריכים למצוא דרך להגביר את הייצור", מסבירה ג'ולי לורן, דוקטורנטית בקבוצה של סטודארט ומחברת ראשונה של מחקר שפורסם זה עתה בכתב העת המדעי PNAS.
הגישה שפיתחה הצליחה לייצר מספר קטן של Komagataeibacter גרסאות שמייצרות עד שבעים אחוז יותר תאית מאשר בצורתן המקורית.
האצת אבולוציה עם אור UV
חוקר החומרים היה צריך ליצור תחילה גרסאות חדשות של החיידק המקורי המופיע בטבע – המכונה סוג הבר. לשם כך, ג'ולי לורן הקרינה את תאי החיידק באור UV-C, אשר פוגע בנקודות אקראיות של החיידק. DNA. לאחר מכן היא הניחה את החיידקים בחדר חשוך כדי למנוע כל תיקון של נזקי ה-DNA ועל ידי כך לגרום למוטציות.
באמצעות מנגנון מיניאטורי, היא עטפה כל תא חיידקי בטיפה זעירה של תמיסת תזונה ואפשרה לתאים לייצר תאית למשך זמן מסוים. לאחר תקופת הדגירה, היא השתמשה במיקרוסקופ פלואורסצנטי כדי לנתח מי מהתאים ייצר הרבה תאית ואיזה לא ייצר או מעט מאוד.
באמצעות מערכת מיון שפותחה על ידי קבוצתו של כימאי ETH אנדרו דה מלו, הצוות של Studart מיין אוטומטית את התאים שהתפתחו לייצור כמות גדולה במיוחד של תאית. מערכת מיון זו היא אוטומטית לחלוטין ומהירה מאוד. תוך דקות הוא יכול לסרוק חצי מיליון טיפות בלייזר ולמיין את אלו המכילות הכי הרבה תאית. נותרו רק ארבעה שייצרו 50 עד 70 אחוז יותר תאית מהסוג הבר.
מחצלת תאית מיובשת בהקפאה המיוצרת על ידי הסוג הבר. קרדיט: Peter Rüegg / ETH ציריך
תובנות גנטיות ויישומים תעשייתיים
התפתח ק.סוכרפרמנטנס תאים יכולים לגדול ולייצר תאית במחצלות בבקבוקוני זכוכית בממשק שבין אוויר ומים. שטיח כזה שוקל באופן טבעי בין שניים לשלושה מיליגרם ועוביו כ-1.5 מילימטרים. מחצלות התאית של הגרסאות החדשות שהתפתחו כבדות ועבות כמעט פי שניים מהסוג הבר.
המחצלת המיובשת בהקפאה המיוצרת על ידי אחת הגרסאות היצרניות ביותר היא עבה הרבה יותר. קרדיט: Peter Rüegg / ETH ציריך
ג'ולי לורן ועמיתיה גם ניתחו את ארבעת הווריאציות הללו מבחינה גנטית כדי לגלות אילו גנים שונו על ידי אור UV-C וכיצד השינויים הללו הובילו לייצור יתר של תאית. לכל ארבעת הגרסאות הייתה אותה מוטציה באותו גן. גן זה הוא התוכנית לאנזים מפרק חלבון – פרוטאז. אולם להפתעתו של חוקר החומרים, הגנים השולטים ישירות בייצור תאית לא השתנו. "אנו חושדים שהפרוטאז הזה מפרק חלבונים המווסתים את ייצור התאית. ללא ויסות זה, התא כבר לא יכול לעצור את התהליך", מסביר החוקר.
בקשות ופטנטים עתידיים
הגישה החדשה היא רב-תכליתית וניתנת ליישום על חיידקים המייצרים חומרים אחרים. גישות כאלה פותחו במקור כדי ליצור חיידקים המייצרים חלבונים או אנזימים מסוימים. "אנחנו הראשונים להשתמש בגישה כזו כדי לשפר את הייצור של חומרים שאינם חלבונים", אומר פרופסור ETH אנדרה סטודארט. "עבורי, העבודה הזו היא אבן דרך."
החוקרים הגישו בקשה לפטנט על הגישה ועל וריאנטים חיידקיים שעברו מוטציה.
בשלב הבא, הם ירצו לשתף פעולה עם חברות המייצרות תאית חיידקית כדי לבדוק את המיקרואורגניזם החדש בתנאים תעשייתיים אמיתיים.
