來自年輕生物學家的信 - 💡 Fix My Ideas

來自年輕生物學家的信

來自年輕生物學家的信


作者: Ethan Holmes, 2019

幾個月前我收到了Cory Tobin的這張紙條。它是我們共同的朋友Mac Cowell發起的電子郵件鏈的一部分。 Mac告訴我,Cory正在研究一個有趣的生物學項目,該項目始於他的公寓,現在正在LA Biohackers空間蓬勃發展。我必須知道更多。

我在前一篇文章中提到了Cory的項目,該項目涉及重新定義和重新構想公民科學和探索的不同類型的業餘愛好者。

這是科里:

9月9日Cory Tobin 9月9日上午1:54

好的,我不想對你的生物/化學知識做任何假設,所以我只是從基礎開始給你我典型的spiel。如果你已經知道這些東西,不要被冒犯。無論如何,這裡是......

所有生物都需要氮來構建蛋白質。氮在大氣中非常豐富(78%),但它是N2的形式,這是一種非常穩定的分子,因此直接使用它幾乎是不可能的。人類從植物蛋白質中獲取一些氮,或者從肉類中獲取更多的氮,而肉類仍然存活,從食用植物獲得。大多數植物以銨,硝酸鹽,游離氨基酸或較小程度的亞硝酸鹽形式從土壤中獲得氮。這些化合物主要是其他腐爛生物的結果。但它最初來自哪裡?在某些時候,有人必須從大氣中獲取它,否則會有淨損失,因為這些含氮化合物被沖入海洋或轉化為氮氣並返回大氣。

在人類開始乾擾唯一的陸地氮源之前(我現在將忽略海洋)是某些植物種類的根瘤。生活在這些結核中的細菌將N2(氣態氮)從大氣轉化為NH3(銨),植物可以很容易地使用。這是一種共生關係,植物為細菌提供舒適的環境,為光合作用提供碳水化合物,而細菌產生氨,迅速轉化為氨基酸。結節的原因是進行N2 ==> NH3反應的細菌酶,稱為“固氮酶”,被氧中毒。結節提供了相對不含O2的環境,因此酶可以有效地發揮作用。

在相關的切線上,肥料中的一種主要成分是硝酸銨。這是通過Haber工藝生產的,其中天然氣用於在催化劑存在下將氣態N2加熱至高溫以製備各種氮化合物。據說這個單一的化學反應中使用了全世界約2%的總能量供應,儘管我還沒有真正找到這方面的可靠數據。

無論如何,農民在他們的田地裡噴灑這些東西以提高產量,但是當它流入水道導致有毒的藻類大量繁殖並最終進入海洋時會產生更多的海洋生物問題。回到故事......

為了使這些細菌及其固氮酶起作用,它們需要無氧環境。因此,您不能僅僅攜帶細菌並用它塗上植物並希望它能夠起作用。

只有一些植物種類有結節來維持固氮。不幸的是,人類生長量最大的植物(玉米,水稻,小麥)沒有結核。人們一直試圖將根瘤變成非結瘤物種一段時間而沒有太多運氣。事實證明這是一個非常複雜的現象。理想情況下,您可以使植物產生結核,因此農民不必在任何地方傾倒這麼多肥料,無論是通過一些特殊的種子包衣還是通過基因改造。但到目前為止,沒有運氣。我最近看到的唯一可能是有希望的是這家公司 - azotictechnologies.com我知道他們正在做什麼,但我還沒有看到任何數據顯示它可以取代肥料。

避免這種結核問題的一種可能方法是提出耐氧的固氮酶。那麼你就不必處理工程或誘導結瘤。你可以想像,如果你有這樣一個系統,你可能只是將基因直接放入植物中,這樣就不需要細菌,或者可能會製作含有攜帶這種基因的細菌孢子的種子包衣等。比製作根瘤更簡單比肥料污染少,浪費少。

早在90年代,德國的這位教授Ortwin Meyer碰巧發現了一種在氧氣存在下表面固定氮的細菌。他和他的團隊實際上正在尋找減少一氧化碳的細菌,並偶然發現了這種固氮酶。在德國,人們通過埋木柴和點燃地下木炭來製造木炭,因此它會經歷熱解,排出各種令人討厭的氣體並留下木炭。 Meyer等人從這些木炭“堆”中的一個上面取了一些土壤樣本,因為沒有更好的詞。他從土壤中分離出的一種細菌消耗了一氧化碳,但也消耗了固氮。他們稱之為Streptomyces thermoautotrophicus。

在某些時候,所有的學生和博士後離開了實驗室,沒有人進行研究固氮酶功能的項目。我聯繫了所有曾經參與其中的人,他們都聲稱不再擁有這個物種。我不相信他們,但這無關緊要。所以似乎物種丟失了。在得到所有這些人的解決之後,我決定嘗試自己重新隔離這些物種。這是我非常幸運的地方。我這天應該買一張樂透彩票。我和我的一個德國朋友Dirk正在談論這個項目,試圖確定我是否犯了一些文化失誤,這可能解釋了為什麼這些科學家很難和謹慎。他告訴我,他父親的鄰居在S. thermoautotrophicus被隔離的地區擁有一個木炭“工廠”。 Dirk給了他一個電話,事實證明這個人擁有Meyer隔離那個物種的確切財產。所以這個人給我發了一個土壤樣本,從我的一個木炭堆中給我試圖重新隔離這個物種。

這提出瞭如何重新隔離細菌的問題。從文獻中我知道基本方法是將土壤樣品放入燒瓶中,用少量含有鹽,礦物質和其他微量營養素的水覆蓋,加熱至65℃,然後泵入該物種喜歡的氣體中。去吃。它消耗一氧化碳或氫氣和二氧化碳的組合。因為在我的公寓裡與CO合作(這完全是DIY風格)是不可能的,我選擇了H2 / CO2。我的初步設計包括帶有加熱元件的氣密生長室,由電解水產生的氫氣和從罐子輸送的CO2,通過連接到腔室的一些管子和閥門。這件事情是一場徹底的災難,我從未讓它運行超過幾天,之後某些部分因高溫,潮濕和腐蝕性氣體而受到腐蝕。

我的第二個設計圍繞著一個塑料冷卻器,我從Target拿到了它。通過繼電器和Arduino控制內部的加熱燈,保持65℃的溫度。土壤樣品位於燒瓶內,含有適當的維生素和礦物質混合物。為了產生氣體,我有2個大塑料杯,1個用於氫氣,1個用於二氧化碳。為了產生氫氣,我將鋁粉放入杯中,然後倒入1M NaOH中。為了生產二氧化碳,我採用了幼兒園 - 科學風格和混合小蘇打和醋。因此,我會將液體倒入粉末中,然後快速關閉冷卻器蓋子以捕獲氣體。我會每天做兩次以保持氣體濃度。最終我得到了一些與原始物種的描述相匹配的細菌。所以我已經分離出了似乎是原始的耐O2固氮細菌。

與此同時,由於我在公共維基上發布了所有這些內容,因此我得到了其他一些有興趣幫助的科學家的關注。我們的合作已成功確認這種細菌確實在固氮。我們通過在同位素15-N2的存在下生長它來做到這一點,同位素15-N2是氮的非放射性同位素,在自然界很少發生。我們從細菌中提取蛋白質並通過質譜儀運行。質譜顯示15N被摻入蛋白質,因此我們知道它固定氮。我們還對這種細菌的基因組進行了測序,結果發現比最初計劃的更難,但它主要是完成的。現在的目標是雙重的:1)找出哪些基因編碼固氮酶和2)確定固氮酶是否實際上是O2耐受的。關於這個物種的原始研究尚無定論,所以我們必須確定。

現在,我們通過使用RNA-Seq來解決#1的問題,基本上測量當細菌被迫固定其自身的氮(從生長培養基中除去氨)時打開哪些基因。因此,我們用氨和一個沒有生長一個樣品,然後測量所有基因(RNA-Seq)的表達水平,比較2個樣品,看看當氨被去除時哪些被調高。這些基因*應該是參與固氮酶途徑的基因,但生物學總是混亂而復雜,所以它可能不會那麼具有決定性。最終我們將不得不進行淘汰,在那裡我們去除了我們認為參與的基因,看它是否會使固氮酶功能達到100%肯定。

至於#2,暫時還處於後台,因為沒有#1就很難進行測試。

我的最終目標是能夠從熱鏈球菌(Streptomyces thermoautotrophicus)中獲取一組基因,並將它們放入另一個物種中,無論是植物還是藻類或其他物種,並讓該物種也固定自己的氮。它不僅在農業部門而且在工業藻類生物燃料業務中都非常有用。

因此,如果你厭惡並跳到最後,目標是設計生物系統,不需要氮肥。我們仍然遠離這一目標,但取得了穩步進展。

如果您有任何問題,請告訴我。我總是樂於談科學。對不起中篇小說。

Cory是利用新業餘工具和模型的專業人士的完美範例。我懷疑這種趨勢只會增長:像Cory這樣的項目將在Kickstarter或者實驗上取得成功,生物空間(剛剛在伯克利隔壁開設的新項目)將開始生產相關項目,並且希望基金會認識到這些項目會很大通過某種形式的小額贈款為大量這些低成本的業餘項目播種的潛力,而像Cory這樣的更多博士後將開始他們自己的製造商式項目。這至少是我的希望。



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