Een team van het Spaanse onderzoeksinstituut CSIC heeft in kaart gebracht hoe de genetische circuits van Pseudomonas protegens werken. Die bacterie komt van nature voor in de bodem en heeft bijzondere eigenschappen voor de biologische bestrijding van plantenziekten.
Die kennis is cruciaal om de soort inzetbaar te maken als biotechnologisch hulpmiddel in bodemecosystemen. Dat proces staat bekend als domesticatie. De resultaten zijn gepubliceerd in Cell Systems en kwamen tot stand in het Biocomputation Lab van het Nationaal Centrum voor Biotechnologie (CNB-CSIC), met technieken uit de zogeheten levende computatie: een transdisciplinaire methode waarbij bacteriën worden geprogrammeerd volgens een computationele logica.
© CSIC
De basis van synthetische biologie is dat natuurlijke micro-organismen worden aangepast om nieuwe celfuncties te krijgen, met toepassingen in de biotechnologie. Denk aan de afbraak van giftige stoffen of de productie van verbindingen voor industrieel gebruik. Meestal gebeurt dat met 'modelbacteriën' die makkelijk groeien in het lab. Toch is het minstens zo belangrijk om bacteriën te kunnen inzetten die juist groeien op de plek waar je ze nodig hebt. Het onderzoek stond onder leiding van Ángel Goñi-Moreno, CSIC-onderzoeker bij het CNB, met medewerking van het Centrum voor Biotechnologie en Plantgenomica. Het beschrijft hoe P. protegens stap voor stap wordt gedomesticeerd en hoe de genetische circuits van deze soort functioneren.
Escherichia coli is een van de meest gebruikte bacteriën in de synthetische biologie, vooral omdat er veel bekend is over de regulatie van haar genen. Ook andere bacteriesoorten, zoals Bacillus subtilis en Pseudomonas putida, worden met succes gedomesticeerd. "Maar als je gegevens van verschillende soorten vergelijkt, zie je dat je wat je bij de ene soort leert niet zomaar kunt toepassen op de andere. De cellulaire context van elke soort is bepalend voor hoe een gen werkt", legt Goñi-Moreno uit. "Dezelfde genetische sequentie kan zich heel anders gedragen, afhankelijk van de regulerende elementen die in een soort aanwezig zijn. Daarom moet je de werking per soort testen. Precies die specificiteit kan in allerlei toepassingen juist voordelen opleveren", voegt hij eraan toe.
P. protegens is een typische bodembacterie met een bijzonder veelzijdige stofwisseling. Ze kan worden geïsoleerd uit de wortels van verschillende plantensoorten. De bacterie heeft een grote ecologische waarde, omdat ze stoffen produceert die actief zijn tegen uiteenlopende plantpathogenen. Ze beschermt wortels doeltreffend tegen ziekteverwekkende schimmels en is bovendien giftig voor sommige insecten. Dat maakt de soort extra interessant voor het onderzoeksteam. Met behulp van een bibliotheek van genetische regelcircuits die al bekend waren uit andere bacteriën, zijn de onderzoekers erin geslaagd het gedrag ervan in P. protegens te karakteriseren.
"Op basis van gegevens over hoe verschillende netwerken functioneren in uiteenlopende organismen, en met behulp van complexe wiskundige modellen, hebben we het gedrag kunnen voorspellen van nieuwe netwerken en van genen die we in het systeem inbrengen", zegt onderzoeker Pablo Japón.
"Ons fundamenteel onderzoek maakt de ontwikkeling mogelijk van nieuwe hulpmiddelen die als een soort 'chassis' dienen voor milieutoepassingen, zoals de productie van verbindingen of bioremediatie", vult onderzoeker Juan Rico aan.
Computationele logica met levend materiaal
Klassieke informatica was erop gericht informatie te verwerken en om te zetten in andere informatie. Op basis daarvan zijn computers gebouwd die logische bewerkingen uitvoeren met siliciumchips. Maar silicium is niet het enige mogelijke substraat voor computatie. Het Biocomputation Lab van Ángel Goñi-Moreno wil daarom levend materiaal, met name bacteriën, gebruiken om biologische informatie te verwerken. DNA is immers een systeem voor informatieopslag dat ook informatie kan verwerken en een reactie in de omgeving kan opwekken.
Op de vraag hoe je een bacterie kunt gebruiken om te rekenen, antwoordt Goñi-Moreno: "Het gaat er niet om dat je met een bacterie een e-mail verstuurt. Gewone computers kunnen probabilistische informatie niet betrouwbaar verwerken. Kwantumcomputers kunnen dat wel, maar zijn lastig hanteerbaar. Netwerken van genregulatie gaan daarentegen van nature om met probabilistische informatie, bij kamertemperatuur en efficiënter dan klassieke siliciumtechnologie. Je moet alleen goed nadenken voor welke informatieprocessen biologische substraten geschikt zijn. Het milieu is daar een duidelijk voorbeeld van."
"Neem temperatuur als informatie. In een klassieke toepassing vang je die op met een thermostaat die aan een computer is gekoppeld, en zo regel je de temperatuur in een kamer. In een micro-organisme kun je een eiwit produceren dat gevoelig is voor warmte. Zodra de omgeving een bepaalde temperatuur bereikt, werkt dat eiwit als een schakelaar of signaal dat de productie activeert van een specifieke stof. Zo kun je aflezen welke temperatuurverandering er heeft plaatsgevonden en onder welke omstandigheden", voegt de onderzoeker toe.
De resultaten van dit onderzoek vergroten de mogelijkheden om dit onconventionele bacteriële 'chassis' in te zetten in ecosystemen en andere milieutoepassingen.
Bron: CNB-CSIC Comunicación
