I ricercatori della Princeton University hanno creato un modo nuovo per controllare con precisione i batteri geneticamente modificati: semplicemente accendendo e spegnendo le luci. I ricercatori lavorando in E. coli, l’organismo cavallo di battaglia degli scienziati per ingegnerizzare il metabolismo, hanno sviluppato un sistema per controllare uno dei circuiti genetici chiave necessari per trasformare i batteri in fabbriche chimiche che producono preziosi composti come l’isobutanolo del biocarburante.
José Avalos, assistente professore di ingegneria chimica e biologica presso l’Università di Princeton, autore principale della ricerca pubblicata su Nature Chemical Biology, ha detto:
«L’illuminazione è tutto ciò di cui hai bisogno per ottenere molti potenziali vantaggi, uno dei quali è la capacità di sintonizzare e invertire facilmente il segnale di induzione».
La nuova ricerca si basa sul lavoro precedente di José Avalos e dei suoi colleghi, descritto su Nature nel 2018, in cui hanno ingegnerizzato il lievito per produrre sostanze chimiche in presenza o assenza di luce. L’E. coli, tuttavia, è ancora più ampiamente utilizzato da scienziati e ingegneri del lievito.
José Avalos e colleghi non sono i primi a creare E. coli la cui espressione genica è controllata dalla luce, ma sono i primi a usare la luce per controllare la produzione di sostanze chimiche; sono anche i primi a usare la luce per controllare l’operone lac, un gruppo di geni più comunemente utilizzato per l’induzione chimica in E. coli.
José Avalos ha detto:
«L’operone Iac è il circuito standard di riferimento che i ricercatori hanno utilizzato per decenni, non è un eufemismo dire che sfruttare l’operone lac è uno di quei risultati chiave che hanno permesso l’esplosione della biotecnologia».
Gli scienziati quando ingegnerizzano E. coli per produrre una proteina o una sostanza chimica attraverso l’operone lac, in genere hanno reso quella funzione inducibile piuttosto di un evento continuo. La coltura batterica in questo modo può crescere normalmente fino a quando gli scienziati non sono pronti a metterla in uso. I ricercatori di solito fanno affidamento sull’aggiunta di una sostanza chimica per attivare l’espressione del tratto geneticamente modificato ma questo metodo ha alcune serie limitazioni.
José Avalos ha detto:
«Se aggiungi una sostanza chimica, il gioco è fatto, nel senso che non puoi rimuoverla facilmente, quindi devi solo aspettare e vedere se hai aggiunto la giusta dose».
I batteri di nuova progettazione di José Avalos e dei suoi colleghi invece di fare affidamento su un induttore chimico, utilizzano l’assenza di luce per procurare reazioni che portano alla produzione di sostanze chimiche o proteine. Ciò consente ai ricercatori di rallentare o interrompere la reazione semplicemente accendendo la luce e di controllare dove avviene la reazione.
José Avalos con i suoi colleghi, in una dimostrazione hanno oscurato solo alcune sezioni della loro capsula batterica di Petri con uno stampino di una tigre, creando una stampa fluorescente di tigre attraverso la reazione dei batteri attivati selettivamente. Ha detto:
«È qualcosa che non potresti fare facilmente con una sostanza chimica, perché non saresti in grado di controllare la diffusione della sostanza chimica con la stessa facilità. La luce, a differenza delle sostanze chimiche, è anche relativamente poco costosa».
OptoLac, il nuovo metodo optogenetico (basato sulla luce) creato da José Avalos con i suoi colleghi, ora offre agli scienziati la capacità di sfruttare la forza delle preesistenti tecnologie di operoni lac con maggiore precisione e controllo.
Mustafa Khammash, professore di teoria del controllo e biologia dei sistemi presso il Politecnico federale di Zurigo, non coinvolto nella ricerca, ha detto:
«Il lavoro è stato ben eseguito, aggiunge un nuovo strumento alla cassetta degli attrezzi degli attivatori di espressione genica optogenetica in E. coli. L’espressione genica optogenetica offre la possibilità di utilizzare la luce invece di piccole molecole per controllare una grande varietà di processi biologici con il minimo sforzo. È stato illustrato in modo convincente dagli autori, hanno dimostrato l’uso di OptoLac per ottenere notevoli miglioramenti nella produzione di sostanze chimiche e proteine in E. Coli».
L’E. coli è attualmente utilizzato per la produzione industriale di una vasta gamma di prodotti chimici di base e speciali, dagli elementi costitutivi di plastica e fibre sintetiche, a prodotti chimici di fascia alta come pigmenti e fragranze.
José Avalos in conclusione ha detto:
«E. Coli spesso è utilizzato dagli scienziati per comprendere meglio i principi di base del metabolismo, delle vie biosintetiche e oltre, pertanto, questa tecnologia potrebbe avere importanti implicazioni non solo nella biotecnologia, ma anche nella ricerca di base».
José Avalos prevede di esplorare ulteriori applicazioni abilitate da OptoLac, tra cui la messa a punto di percorsi metabolici complessi, il miglioramento della produzione di proteine difficili da produrre e il controllo di altre interessanti funzioni batteriche. Ha aggiunto:
«In un certo senso, una parte importante della nostra motivazione era quella di rompere gli attuali schemi del modo in cui ora si fanno le cose, una domanda che continuiamo a porci è: “Come possiamo farlo meglio?”».
