Nå klarer forskere å åpne celler uten å ta livet av dem
Innholdet fra den levende cellen lekker ut, og der kan forskerne finne enzymer som kan være nyttige for mennesker.
Enzymer er stoffer som får i gang kjemiske reaksjoner. Dette kan være nyttig på flere forskjellige områder. Det gjelder alt mulig fra å produsere fiskefôr til å bryte ned plast.
Naturen er en skattkiste som er full av disse nyttige enzymene. De er gjemt i mikroorganismer overalt rundt oss.
– Naturen har en enorm kapasitet til å produsere enzymer, sier Rahmi Lale, biolog ved Institutt for bioteknologi og matvitenskap ved NTNU.
Enzymene finnes der de trengs
Enzymer finnes dermed i alle miljøer på jorden. De er i mikrober som trenger et bestemt enzym for å overleve.
Japanske forskere har for eksempel funnet bakterier som bruker to enzymer for å bryte ned plast. Disse bakteriene ble funnet utenfor en gjenvinningsfabrikk for plastflasker. I ørkenen finnes enzymer som gjør at organismer tåler varme.
Når forskerne har funnet et lovende miljø, undersøker de materiale derfra for å finne DNA-materiale. Dette kan for eksempel være jordprøver med encellede mikrober i.
Forskere jakter altså på ulike enzymer mange steder ved å åpne celler. De må først bryte ned cellemembranen som er den tynne hinnen som omgir cellen.
Her oppstår et problem for forskerne: Når de bryter ned cellemembranen, så dør som regel alle cellene. Da er det ikke så lett å undersøke mikroben eller cellen for å lære mer om enzymene som finnes der inne.
Ny metode for å åpne cellene
Lale og kollegaene har utviklet en metode som ikke nødvendigvis ødelegger cellemembranen helt. Ved å lage et hull i cellemembranen lekker innholdet ut og forskerne kan analysere enzymer.
Den nye metoden kan åpne cellene uten at alle dør. Forskerne har nå en fordel når de vil undersøke cellene nærmere.
Hva er enzymer?
- Enzymer er stoffer, hovedsakelig proteiner, som katalyserer de kjemiske prosessene i levende organismer. Enzymene fremmer de kjemiske reaksjonene uten at de selv forbrukes.
- Liv er kjemisk sett resultatet av et kontrollert system av samarbeidende, enzymkatalyserte reaksjoner. Det er beskrevet vel 3000 forskjellige enzymer.
Kilde: snl.no
Dyrker milliarder av celler
Forskerne klarer nå å åpne celler kontrollert ved å justere konsentrasjonen av forbindelsen som bryter ned cellemembranen. Ved riktig konsentrasjon forblir noen celler hele.
– Fordi vi kan kontrollere hvor mange hull vi introduserer, kan vi også kontrollere hvor mange celler som dør. Vi dreper ikke alle, og det er viktig, sier Lale.
– Om noe interessant skjer med én bestemt dråpe, kan vi få tak i den dråpen. Siden celler vokser så raskt, kan vi ta dråpen, plassere den i et vekstmedium og ha milliarder av celler igjen den neste dagen. Derfra er det å få tak i DNA fra dem virkelig enkelt, forklarer han.
Leter videre i laboratoriet
Forskerne kan isolere DNA fra prøvene de har samlet inn, og kutte det opp i mindre deler i laboratoriet. Deretter limer de det inn i velkjente mikroorganismer som E. coli-bakterier. Dette kalles kloning.
Så leter de etter reaksjoner som enzymene er involvert i. Her blir det mer vrient.
– Det er lett å samle inn DNA, lett å klone det og lett å føre det inn i disse mikroorganismene. Men plutselig har du hundrevis av millioner ulike celler. Hver og en av dem bærer på noe unikt, men du vet ikke hvilken som bærer på det du er interessert i. Det er som å finne nåla i høystakken, sier Lale.
Ved å studere væsker som beveger seg innenfor en utstrekning på under en millimeter, såkalt mikrofluidikk, kan forskerne lete blant cellene 10.000 ganger raskere enn før.
Forskerne fikk bekreftet sin nye teknikk ved å bruke mikrofluidikk-chips laget i NTNU NanoLab
- Les også: Slik bryter kreften ned musklene
Hjelper forskerne på rett spor
Forskerne ønsker å analysere DNA-prøver fra flere miljøer som kan gi oss interessante enzymer. De vil lete i prøver fra kalde steder i Nord-Norge, det varme klimaet i Spania og kompostdynger i Storbritannia.
– Om du ser på disse interessante miljøene, er sjansen for å finne noe høyere, sier Lale.
Teknikken kan også hjelpe forskerne med å få mikrober til å lage enzymer med bestemte egenskaper. Forskerne kan lage genetiske mutasjoner i laboratoriet som påvirker mikrobene i ulike retninger. Så kan forskerne kanskje finne den mikroben som kom nærmest å lage det enzymet de vil ha tak i.
Lale og kollegene har søkt om et stipend for å bringe forskningen videre som del av et konsortium ledet av kolleger ved University of Cambridge. Forskningen er delvis finansiert av Norges forskningsråd og EU-programmet Horizon 2020. En vitenskapelig artikkel er nylig publisert i journalen ACS Synthetic Biology.
Men de får hjelp av en metode kalt mikrofluidikk, som gjør at de kan lete blant cellene 10.000 ganger raskere enn før. (Se faktaboks.)
Mikrofluidikk hjelper til når forskerne skal finne enzymer med nyttige egenskaper. Illustrasjon: Husnain Ahmed
Mikrofluidikk
- Når forskere bruker mikrofluidikk, flyter væsker gjennom ørsmå kanaler som er etset inn i en chip. Det gjør at forskerne kan sjekke mikrobene 10.000 ganger raskere enn med tidligere metoder.
- Mikrobene ligger i vanndråper som er omgitt av en oljebasert væske. Væsken frakter mikrobene gjennom kanalene.
- Fordi flesteparten av de mulig nyttige enzymene lages inni mikrobene, må cellene åpnes for å kunne teste dem. Den nye metoden åpner cellene uten at alle dør.
- Et substrat venter på at enzymet skal komme og reagere med det. Om de har en positiv match, trigger det en reaksjon.
Forskerne fikk bekreftet sin nye teknikk ved å bruke mikrofluidikk-chips laget i NTNU NanoLab.
Referanse: Che Fai Alex Wong, Liisa van Vliet, Swapnil Vilas Bhujbal, Chengzhi Guo, Marit Sletmoen, Bjørn Torger Stokke, Florian Hollfelder, and Rahmi Lale. A Titratable Cell Lysis-on-Demand System for Droplet-Compartmentalized Ultrahigh-Throughput Screening in Functional Metagenomics and Directed Evolution. ACS Synth. Biol. 2021, 10, 8, 1882–1894. July 14, 2021. https://doi.org/10.1021/acssynbio.1c00084
