Raziskovanje cianobakterij na UL FKKT

Cianobakterije nekateri še vedno bolj poznajo pod imenom modrozelene alge. To poimenovanje pa ni upravičeno, saj so alge evkarionti, cianobakterije pa so prokarionti. Prištevamo jih med po Gramu negativne bakterije, torej imajo dvojno celično ovojnico. Zanimive so zato, ker so (večinoma obligatni) avtotrofi, kar pomeni, da organske snovi sintetizirajo iz vode in CO₂ v prisotnosti svetlobe, tako kot to počnejo tudi rastline. Cianobakterije pa so sposobne razen molekul, ki so nujne za njihovo lastno preživetje, sintetizirati tudi snovi, ki so koristne za človeka. Nekateri poznate primer klorele, "alge", ki predstavlja prehranski dodatek, ker vsebuje nekatere elemente v sledeh in vitamine. Žal je proizvodnja številnih od koristnih molekul zelo neučinkovita. S selekcijo in z genskim inženirstvom je mogoče dobiti seve, ki proizvajajo večje množine za človeka koristnih snovi, postopki priprave takih sevov pa so zamudni in pogosto zelo zahtevni.

Cianobakterije na Katedri za biokemijo

Na naši katedri se s cianobakterijami intenzivno ukvarjamo od začetka leta 2012. Zavedamo se, da ne moremo tekmovati z biotehnološkimi korporacijami, ki razvijajo cianobakterijske seve za proizvodnjo biogoriv in kompleksnih snovi, zato smo poiskali nišo, ki je pomembna za vse tiste, ki se ukvarjajo z gensko spremenjenimi cianobakterijami. Ena od tem, ki se nam zdi pomembna in premalo raziskana, je biološka varnost dela z gensko spremenjenimi cianobakterijami. Zato smo se odločili, da bomo pripravili seve s samomorilskim mehanizmom, ki bi se aktiviral v primeru, če bi cianobakterije "ušle" iz laboratorija ali bioreaktorja. Doslej takega mehanizma ni izdelal še nihče, če bi nam uspelo, pa bi gotovo zmanjšalo pomisleke glede (ne)varnosti uporabe gensko spremenjenih cianobakterij v večjem merilu in zunaj raziskovalnih laboratorijev.

Druga pomembna tema povezana s cianobakterijami so izboljšave tehnik za gensko spreminjanje cianobakterij. Medtem ko so na primer bakterije Escherichia coli že več kot 30 let vodilni mikroorganizem na področju genetskega inženirstva, so ostale bakterije postavljene v ozadje in je zato razvoj izboljšanih sevov in metod zastal - kljub temu, da so nesporne nekatere zelo uporabne lastnosti teh mikroorganizmov. Tako je za nekatere seve cianobakterij značilno, da so naravno kompetentne za transformacijo, kar pomeni, da sprejmejo tujo DNA, ne da bi bila za to potrebna posebna obdelava, na primer s solmi ali z encimi, kot je to potrebno za nekatere druge mikrobe. Žal pa pri cianobakterijah obstaja več dejavnikov, ki zavirajo njihovo širšo uporabnost. Med temi je počasna rast številnih sevov, sistemi obrambe pred tujo DNA, ki vstopajočo DNA razgradijo, pa tudi povečano število kopij kromosoma v citoplazmi in prisotnost naravnih plazmidov. Vsaj za nekatere od teh težav mislimo, da bi se dalo rešiti v razumnem času in s tem pospešiti razvoj genskega inženirstva tudi na cianobakterijah.

Tretje področje je uporabnost cianobakterij za proizvodnjo nekaterih koristnih snovi, pa tudi za postopke bioremediacije. O tem se sicer šele pogovarjamo s kolegi, ki jih tovrstne raziskave tudi zanimajo.

Mednarodni projekt 2012-15

Raziskovalno delo na področju biološke varnosti cianobakterij je intenzivno potekalo od decembra 2012 do konca novembra 2015 v okviru mednarodnega konzorcija CyanoFactory. Pri tem smo uporabili pristope sintezne biologije in uspeli najti ustrezne kombinacije genetskih elementov, ki so omogočili kontrolirano sprožitev celične smrti. Sicer smo vzporedno razvijali dva pristopa, naravne endotoksine in heterologne cianobakterijske nukleaze ter tarčne antitoksine oziroma inhibitorje. Kontrolni elementi so bili promotorji, ki so odzivni na kovinske ione, v kombinaciji z optimiziranimi vezavnimi mesti za ribosome in dodanimi oznakami za razgradnjo proteinov. Delo smo objavili v reviji Biology Open aprila 2016.

Ortokaspaze

Vzporedno z raziskovanjem na področju inducirane celične smrti gensko spremenjenih cianobakterij, smo preučevali encime, ki bi lahko bili vključeni v programirano celično smrt bakterij. Kot model smo uporabili cianobakterijo mikrocistis, ki je sicer znana po tem, da lahko proizvaja za jetra nevarne toksine in jih sprošča v vodo, v kateri raste. V laboratoriju smo iz te cianobakterije pomnožili gen za protein, ki je podoben kaspazam, znanim encimom programirane celične smrti pri višjih organizmih. Ugotovili smo, da je protein precej drugačen in ga poimenovali 'ortokaspaza'. Gre za prvi bakteijski encim z dokazano proteolitično aktivnostjo, ki je podoben kaspazam. Kakšna je vključenost v proces celične smrti cianobakterij, pa še ni mogoče reči, a raziskujemo v tej smeri. Več o ortokaspazi najdete v reviji Molecular Microbiology (oktober 2015).

Več informacij

Dodatne informacije lahko najdete na spletni strani raziskovalne skupine.

Sodelavci

Trenutno na področju cianobakterij delamo: prof. dr. Marko Dolinar, asist. dr. Nejc Jelen, en predbolonjski diplomant, Blaž Bakalar, in trije bolonjski diplomanti biokemije, Kristina Bremec, Sabina Kolar in Žan Železnik. Računamo, da bomo v naslednjem letu ekipo okrepili z vsaj enim magistrandom in enim raziskovalcem, ki bi bil zaposlen za čas trajanja mednarodnega projekta.