Ешерихија коли једе пластику и производи парацетамол – омражена бактерија постала савезник биотехнолога

Микроб који је користио др Стивен Волас, професор хемијске биотехнологије на Универзитету у Единбургу, био је Ешерихија коли.

Ова штапићаста бактерија се налази у цревима људи и животиња, а много нам је познатија као изазивач врло непријатних инфекција којих се тешко решавамо.

Професор Волас ју је аутоматски изабрао јер се одређени сојеви Е. коли који нису патогени интензивно користе у лабораторијама за биотехнологију и инжењерску биологију како би се тестирало да ли нешто може да функционише.

Е. коли је главни „радни коњ“ у овој области, каже професор Волас, који ју је такође генетски модификовао у лабораторији да би пластични отпад претворио у арому ваниле, а отпад од масти из канализације у парфем.

„Ако желите да докажете да је нешто могуће уз помоћ биологије, E. коли је природна прва фаза“, наглашава професор.

Употреба микроба није ограничена само на лабораторију. Индустријски, посуде са генетски модификованом Е. коли користе се као живе фабрике које производе разне производе, од фармацеутских производа попут инсулина, виталног за лечење дијабетеса, до разних хемикалија које се користе за производњу горива и растварача.

Како је Е. коли постала такав ослонац биотехнологије

Доминација E. коли произилази из њене улоге модалног организма за разумевање општих биолошких принципа, објашњава Томас Силхави, професор молекуларне биологије на Универзитету Принстон, који већ око 50 година спроводи студије о овој бактерији и документовао је њену историју.

Други познати модални организми укључују мишеве, воћне мушице и пекарски квасац. Квасац, попут Е. коли, такође је постао непроцењив алат у биотехнологији, како у лабораторији тако и у индустрији – али има сложенију ћелијску структуру и различите примене.

Ешерихију коли први пут је изоловао 1885. године немачки педијатар Теодор Ешерих, проучавајући микробе црева одојчади. Како је брзо растућа и лака за рад, научници су почели да је користе за проучавање основне бактеријске биологије.

Затим, четрдесетих, једна „случајност“ јој је донела велику славу, додаје проф. Силхави.

Непатогени сој E. coli (K-12) коришћен је да би се показало да се бактерије не само деле, већ могу да прођу кроз „бактеријски секс“ где деле и рекомбинују гене како би стекле нове особине.

То је било прекретничко откриће и E. коли је постала „веома омиљени организам свих“, каже професор.

Централна улога у открићима

То је довело до тога да E. коли одигра централну улогу у многим другим открићима и прекретницама у генетици и молекуларној биологији.

Коришћена је за дешифровање генетског кода, а седамдесетих је постала први организам генетски модификован када је у њега уметнута страна ДНК – постављајући темеље модерне биотехнологије.

Такође је решила проблем са производњом инсулина. Инсулин од говеда и свиња коришћен је за лечење дијабетеса, али је код неких пацијената изазивао алергијске реакције.

Али 1978. године произведен је први синтетички инсулин за људску употребу помоћу E. коли, што је био огроман пробој.

Године 1997. постала је један од првих организама чији је цео геном секвенциран, што га је учинило лакшим за разумевање и манипулацију.

Робусна и неуништива

Адам Фајст, професор на Универзитету Калифорније у Сан Дијегу, који развија микробе за индустријске примене, каже да цени E. коли због њених многих корисних карактеристика.

Поред огромног знања акумулираног о њеној генетици и алата који је олакшавају за инжењеринг, бактерија брзо и предвидљиво расте на широком спектру подлога. Није „фиктивна“ као неке, може се замрзнути и оживети без проблема и необично је добра у прихватању стране ДНК.

„Што више радим са више микроорганизама, то више ценим колико је E. коли робусна“, каже Фајст.

Синтија Колинс, директор у "Ginkgo Bioworksа", компанији која помаже фирмама да развију своје биотехнолошке производе и помогла им је у индустријској употреби E. коли.

Иако је регистар организама доступних за производњу великих размера нешто шири него што је био пре неколико деценија – када је E. коли најчешће била једини избор – она често и даље може бити „добар избор“ у зависности од производа, каже др Колинс. (Чак и уз најинтензивнији биоинжењеринг, E. коли не може да произведе баш све).

„Веома је економична, можете испумпати много тога“, истиче, али напомињући да ако бактерија производи нешто токсично за ћелије, толеранција се често може инжењерски створити.

Можда има бољих, али их не тражимо

Ипак, постоје неки који се питају да ли нас доминација E. коли можда спречава да пронађемо најбоља биотехнолошка решења за наше проблеме.

Пол Јенсен, микробиолог и инжењер на Универзитету у Мичигену, проучава бактерије које живе у нашим устима. Недавно је анализирао колико је већина других бактерија недовољно проучена у односу на E. коли.

Његова поента је да, док ми напредујемо са све опсежнијим инжењерингом E. коли да би се постигле изузетне ствари, можда постоје и други микроби који те ствари раде природно – и боље – а који нису предмет пажње и пропуштамо да имамо користи од њих јер се не траже нити проучавају.

Био-истраживање на депонијама, на пример, могло би открити микробе који су почели да једу не само пластику већ и све врсте другог отпада, наглашава Јенсен. И могле би постојати бактерије које раде ствари – попут прављења цемента или гуме – за које нисмо ни претпостављали да постоје.

Само бактерије које живе у нашим устима надмашују E. коли по толеранцији на киселину, напомиње микробиолог.

„Толико смо дубоко упознати са Е. коли да не истражујемо довољно ништа друго.“

На трагу алтернативи

Постоје неке алтернативе на којима људи раде како би повећали број опција – укључујући Vibrio natriegens (В. нат), који је почео да привлачи пажњу као потенцијални конкурент E. коли.

В. нат је први пут изолован из слане мочваре у америчкој држави Џорџији још шездесетих, али је остао углавном занемарен у колекцијама култура и замрзивачима до средине двехиљадедесетих када је препознат по својој невероватно брзој стопи раста – двоструко већој од E. коли – што би могла бити значајна индустријска предност.

Такође је далеко ефикаснији у примању стране ДНК, каже Баз Барстоу, биолошки и еколошки инжењер на Универзитету Корнел, који је међу онима који развијају овај организам, и каже да је његова способност у поређењу са E. коли као „прелазак са коња на аутомобил“.

Фокус др Барстоуа на В. нат јесте његова жеља да види микробе који се користе за решавање великих изазова одрживости – од производње млазног горива из угљен-диоксида и зелене електричне енергије до рударства ретких земних метала.

„Једноставно речено, E. коли нас неће довести до ниједне од ових визија. V. natriegens би могао“, сматра Барстоу.

Ове године његова лабораторија је основала компанију, "Forage Evolution", која ради на алатима који ће истраживачима олакшати његово инжењерство у лабораторији.

В. нат нуди атрактивна својства, признаје професор Фајст, али ти генетски алати потребни за широку употребу још увек недостају, и још увек се није доказао у великим размерама. „E. коли је тешко заменити.“