Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Surat dari seorang ahli biologi muda

Saya menerima nota ini dari Cory Tobin beberapa bulan lalu. Ia adalah sebahagian daripada rantai e-mel yang dimulakan oleh rakan bersama kami, Mac Cowell. Mac memberitahu saya bahawa Cory sedang menjalankan projek biologi yang menarik yang bermula di apartmennya, dan kini berkembang di ruang LA Biohackers. Saya perlu tahu lebih banyak lagi.

Saya merujuk projek Cory dalam jawatan terdahulu tentang pelbagai jenis amatur yang mentakrifkan semula dan menguraikan sains dan penerokaan warga negara.

Inilah Cory:

9 September Cory Tobin 9/9, 1:54 pagi

OK, saya tidak mahu membuat apa-apa anggapan mengenai pengetahuan bio / chem anda jadi saya hanya akan memberikan spiel biasa saya bermula dari asas-asas. Jangan tersinggung jika anda sudah mengetahui perkara ini. Anyways, di sini ia ...

Semua benda hidup memerlukan nitrogen untuk membina protein. Nitrogen agak banyak di atmosfer (78%) tetapi ia adalah dalam bentuk N2 yang merupakan molekul yang sangat stabil, jadi menggunakannya secara langsung hampir mustahil. Manusia mendapatkan beberapa nitrogen daripada protein tumbuhan atau lebih dari daging yang, sementara daging masih hidup, mendapatnya dari makan tumbuhan. Kebanyakan tumbuhan mendapat nitrogen dari tanah sama ada dalam bentuk ammonium, nitrat, asid amino bebas atau ke tahap yang lebih rendah, nitrit. Sebatian ini kebanyakannya disebabkan oleh organisma lain yang mereput. Tetapi dari manakah asalnya? Pada satu ketika seseorang terpaksa membawanya keluar dari atmosfer, jika tidak ada kerugian bersih kerana sebatian nitrogen ini dibersihkan ke dalam lautan atau diubah menjadi gas nitrogen dan kembali ke atmosfera.

Sebelum manusia mula mengganggu satu-satunya sumber bumi nitrogen (saya akan mengabaikan lautan buat masa ini) adalah nodul akar dalam beberapa spesis tumbuhan. Terdapat bakteria yang hidup di nodul ini yang menukar N2 (gas nitrogen) dari atmosfera menjadi NH3 (ammonium) yang tumbuhan itu dapat digunakan dengan mudah. Ini adalah hubungan simbiotik di mana tumbuhan membekalkan persekitaran yang selesa untuk bakteria serta karbohidrat dari fotosintesis manakala bakteria menghasilkan ammonia yang dengan cepat diubah menjadi asid amino. Sebab bagi nodul adalah bahawa enzim bakteria yang melakukan reaksi N2 ==> NH3, yang dipanggil "nitrogenases", diracun oleh oksigen. Nodul ini menyediakan persekitaran yang agak bebas daripada O2 supaya enzim boleh berfungsi dengan cekap.

Pada tangen yang berkaitan, salah satu ramuan utama dalam baja ialah ammonium nitrat. Ini dihasilkan melalui proses Haber di mana gas asli digunakan untuk memanaskan gas N2 sehingga suhu tinggi dengan kehadiran pemangkin untuk membuat pelbagai sebatian nitrogen. Ternyata sekitar 2% dari total bekalan tenaga dunia digunakan dalam reaksi kimia tunggal ini, walaupun saya belum menemukan data padat ini.

Apa-apa pun, petani menyembur barang-barang ini di ladang mereka untuk meningkatkan hasil tetapi banyak membazir kerana ia menjadi jalan air menyebabkan bunga alga toksik dan akhirnya ke laut di mana ia menyebabkan lebih banyak masalah untuk kehidupan laut. Kembali ke cerita ...

Untuk bakteria dan nitrogenase mereka untuk bekerja, mereka memerlukan persekitaran bebas oksigen. Jadi, anda tidak boleh mengambil bakteria dan melapiskan tumbuhan dengannya dan berharap ia berfungsi.

Hanya beberapa spesies tumbuhan yang mempunyai nodul untuk mengekalkan penebalan nitrogen. Dan sayangnya tumbuh-tumbuhan yang manusia tumbuh dalam kelimpahan terbesar (jagung, beras, gandum) tidak mempunyai nodul. Orang ramai telah cuba untuk membuat jurutera nodul akar ke dalam spesies yang tidak menggigit untuk beberapa waktu tanpa banyak nasib. Ternyata ia agak fenomena yang kompleks. Sebaiknya anda boleh membuat tumbuhan menghasilkan nodul supaya petani tidak perlu membuang baja begitu banyak di mana-mana, sama ada oleh beberapa lapisan benih khas atau melalui pengubahsuaian genetik. Tetapi setakat ini, tidak ada nasib. Satu-satunya perkara yang saya lihat baru-baru ini yang boleh menjanjikan adalah syarikat ini - azotictechnologies.com Saya jenis tahu apa yang mereka sedang bekerja tetapi saya masih belum melihat sebarang data yang menunjukkan bahawa ia boleh menggantikan baja.

Satu cara yang mungkin untuk mengelakkan masalah nodul ini adalah untuk menghasilkan nitrogenase yang toleran oksigen. Kemudian anda tidak perlu berurusan dengan kejuruteraan atau merangsang nodulasi. Anda boleh bayangkan jika anda mempunyai sistem sedemikian, anda mungkin hanya meletakkan gen terus ke dalam tumbuhan supaya tiada bakteria diperlukan, atau mungkin membuat salutan benih yang mengandungi beberapa spora bakteria yang membawa gen ini, dan lain-lain. Sesuatu yang lebih mudah daripada membuat nodul akar dan kurang mencemarkan dan membazir daripada baja.

Kembali pada tahun 90an ada profesor di Jerman, Ortwin Meyer, yang kebetulan mencari bakteria yang kononnya nitrogen tetap di hadapan oksigen. Dia dan pasukannya sebenarnya mencari bakteria yang mengurangkan karbon monoksida dan menemui nitrogenase ini secara tidak sengaja. Di Jerman orang membuat arang dengan menguburkan kayu api dan menyalakan api di bawah tanah supaya ia mengalami pirolisis, mengusir semua jenis gas jahat dan meninggalkan arang. Meyer et al mengambil beberapa sampel tanah dari atas satu "timbunan" arang ini, kerana kekurangan perkataan yang lebih baik. Salah satu bakteria yang diasingkannya dari tanah yang digunakan karbon monoksida tetapi juga nitrogen tetap. Mereka memanggilnya Streptomyces thermoautotrophicus.

Pada satu ketika semua pelajar dan postdocs meninggalkan makmal dan tiada siapa yang menjalankan projek mengkaji fungsi nitrogenase. Saya menghubungi semua orang yang pernah bekerja di atasnya dan mereka semua mendakwa tidak lagi mempunyai spesies. Saya tidak percaya mereka, tetapi ia tidak relevan. Maka kelihatannya spesies itu hilang. Setelah mendapat jalan keluar dari semua orang, saya memutuskan untuk cuba mengasingkan spesies itu sendiri. Di sinilah saya sangat bertuah. Saya sepatutnya membeli tiket lotto pada hari ini.Saya bercakap dengan salah seorang kawan Jerman saya, Dirk, mengenai projek ini yang cuba untuk menentukan sama ada saya telah melakukan beberapa kesalahan budaya yang mungkin menjelaskan mengapa para saintis ini menjadi sukar dan canggung. Dia memberitahu saya bahawa jiran ayahnya memiliki "kilang" arang di rantau ini di mana S. thermoautotrophicus telah diasingkan. Dirk memberinya panggilan dan ternyata orang ini memiliki harta yang tepat di mana Meyer telah mengasingkan spesies itu. Jadi lelaki ini menghantar saya sampel tanah dari salah satu timbunan arang bagi saya untuk cuba mengasingkan semula spesies ini.

Ini menimbulkan persoalan tentang bagaimana saya pergi mengasingkan semula bakteria. Dari kesusasteraan saya tahu pendekatan asas adalah meletakkan sampel tanah di dalam satu botol, tutup dengan sedikit air yang mengandungi beberapa garam, mineral dan mikronutrien lain, memanaskannya sehingga 65C dan kemudian pam pada gas yang spesies ini suka untuk makan. Ia menggunakan sama ada karbon monoksida atau gabungan hidrogen dan karbon dioksida. Sejak bekerja dengan CO di apartmen saya (ini semua dilakukan gaya DIY) adalah keluar dari soalan yang saya pergi dengan H2 / CO2. Reka bentuk awal saya melibatkan ruang pertumbuhan kedap udara dengan unsur pemanasan, hidrogen yang dihasilkan daripada elektrolisis air dan CO2 yang disampaikan dari kanister, melalui beberapa tiub dan injap yang disambungkan ke ruang. Perkara ini adalah bencana yang lengkap dan saya tidak pernah berjaya untuk berlari selama lebih daripada beberapa hari sebelum beberapa bahagian menjadi terlalu berkecai dari suhu tinggi, kelembapan dan gas yang menghakis.

Reka bentuk saya yang kedua adalah berpusat di sekitar plastik sejuk yang saya ambil dari Sasaran. Terdapat lampu haba di dalam kawalan melalui relay dan Arduino yang mengekalkan suhu 65C yang lembap. Sampel tanah duduk di dalam sebotol dengan campuran vitamin dan mineral yang sesuai. Untuk menghasilkan gas saya mempunyai 2 cawan plastik besar, 1 untuk hidrogen dan 1 untuk karbon dioksida. Untuk menghasilkan hidrogen saya meletakkan serbuk aluminium dalam cawan, kemudian dicurahkan dalam 1M NaOH. Untuk menghasilkan karbon dioksida saya pergi tadika-sains-gaya yang adil dan campuran baking soda dan cuka. Oleh itu saya akan membuang cecair ke dalam serbuk dan kemudian menutup penutup sejuk dengan cepat untuk menjebak gas. Saya akan melakukan ini dua kali sehari untuk memastikan kepekatan gas-gas tersebut naik. Akhirnya saya mendapat beberapa bakteria yang tumbuh sesuai dengan spesifikasi spesies asal. Oleh itu, saya telah mengasingkan apa yang kelihatan sebagai bakteria penetapan nitrogen asal nitrogen O2.

Sementara itu, sejak saya telah menerbitkan semua ini di wiki umum, saya mendapat perhatian beberapa saintis lain yang berminat membantu. Kerjasama kami telah berjaya mengesahkan bahawa bakteria ini memang membetulkan nitrogen. Kami melakukan ini dengan membesar di hadapan isotop 15-N2, yang merupakan isotop nitrogen bukan radioaktif yang jarang berlaku. Kami mengekstrak protein dari bakteria dan berlari walaupun spektrometer massa. Spesifikasi massa menunjukkan bahawa 15N dimasukkan ke dalam protein supaya kita tahu ia menetapkan nitrogen. Kami juga menjejaki genom bakteria ini yang ternyata lebih sukar daripada yang dirancang pada mulanya, tetapi kebanyakannya dilakukan. Sekarang matlamatnya adalah dua kali: 1) mengetahui kod gen gen untuk nitrogenase dan 2) menentukan sama ada nitrogenase sebenarnya toleran O2. Penyelidikan asal spesies ini tidak dapat disimpulkan, jadi kita perlu memastikan.

Sekarang kita sedang menangani # 1 dengan menggunakan RNA-Seq untuk secara amnya mengukur gen-gen yang dihidupkan apabila bakteria dipaksa untuk memperbaiki nitrogennya sendiri (mengeluarkan ammonia dari media pertumbuhan). Oleh itu, kita menanam satu sampel dengan ammonia dan satu tanpa, kemudian mengukur tahap ungkapan untuk semua gen (RNA-Seq), membandingkan 2 sampel dan lihat mana yang muncul apabila ammonia dikeluarkan. Gen ini * harus * menjadi yang terlibat dalam laluan nitrogenase tetapi biologi sentiasa berantakan dan rumit sehingga mungkin tidak akan begitu konklusif. Akhirnya kita perlu membuat knockout, di mana kita membuang gen yang kita fikir terlibat dan lihat jika ia membunuh fungsi nitrogenase menjadi 100% pasti.

Bagi # 2, itu adalah pada pembakar belakang buat masa ini kerana ia akan menjadi sangat sukar untuk diuji tanpa # 1.

Matlamat utama saya adalah untuk dapat mengambil satu set gen dari Streptomyces thermoautotrophicus dan meletakkannya dalam spesies lain, sama ada tumbuhan atau alga atau sesuatu dan mempunyai spesies itu juga menetapkan nitrogen sendiri. Ia akan menjadi sangat berguna bukan sahaja dalam sektor pertanian tetapi juga dalam operasi biofuel alga industri.

Oleh itu, jika anda mendapat antsy dan melompat ke akhirnya, matlamatnya adalah untuk membuat sistem biologi untuk tidak memerlukan baja berasaskan nitrogen. Kami masih jauh dari matlamat tetapi membuat kemajuan mantap.

Jika anda mempunyai sebarang pertanyaan, beritahu saya. Saya sentiasa gembira untuk bercakap sains. Maaf untuk novella.

Cory adalah contoh sempurna dari jenis profesional yang mengambil kesempatan daripada alat dan model amatur baru. Saya mengesyaki trend ini hanya akan berkembang: projek-projek seperti Cory akan berjaya di Kickstarter atau Eksperimen, biospaces (yang baru dibuka di sebelah kami di Berkeley) akan mula menghasilkan projek-projek yang sangat relevan dan, semoga yayasan membuat geran akan menyedari ada besar berpotensi untuk membiayai sejumlah besar projek amatur kos rendah dengan beberapa bentuk pemberian mikro, dan lebih banyak dokumen pos seperti Cory akan memulakan projek gaya pembuat mereka sendiri. Itulah harapan saya sekurang-kurangnya.

Kongsi

Meninggalkan Komen