• Sunday May 19,2019

Ceasul pe care îl crează

Anonim

Noi, oamenii, petrecem o mulțime de instrumente de construire a timpului din bucăți din lumea naturală. Am inceput cu bastoane si pietre, am inceput sa-mi murim fierul si alte metale si, recent, am invatat cum sa manipuleze genele de lucruri vii. Pentru a face insulina, de exemplu, biologii din anii 1970 au introdus genele de insulină umană în E. coli și au transformat bacteriile în fabrici chimice vii. În aceste zile, oamenii de știință încearcă să reînceapă bacteriile mult mai dramatic, tratându-i mai mult computerele programabile decât fabricile. Suna destul de simplu, dar cu siguranță nu este. Toate materialele reprezintă provocări pentru factorii de decizie. Lemnul poate să putrezească, metalul poate să se îndoaie. Și lucrurile vii sunt nebunești. De aceea este atat de impresionant ca oamenii de stiinta de la Universitatea din California din San Diego tocmai au facut filmul pe care l-am incorporat mai jos: bacteriile stralucitoare iti dau timp cu clipe.

Tehnologia se bazează pe uniformitate și fiabilitate. Dacă rata ceasului calculatorului dvs. s-a schimbat în mod imprevizibil de la al doilea la al doilea, nu ați putea să citiți acest lucru sau să faceți mult mai multe lucruri cu mașina dvs. Dar lucrurile vii nu au evoluat să-i mulțumească pe ingineri. Ele sunt sisteme de molecule fundamentale dezordonate. Chiar și cea mai simplă reacție chimică dintr-o celulă este coșmarul inginerului. Dacă expuneți E. coli la anumite tipuri de zahăr, de exemplu, anumite gene devin active, determinând microbul să facă copii de ARN ale genelor și în cele din urmă proteinele pe care microbul le poate utiliza pentru a mânca zaharurile. Dar microbul nu face o alimentare ușoară a proteinelor. Le face în explozii imprevizibile. Microbul este zgomotos, deoarece moleculele sale nu reacționează unul cu celălalt, cum ar fi ceasul. Ele sunt guvernate de legile probabilității. Ei se rătăcesc și se învârteau. Ei își apucă țintele și apoi cad, numai ca să-l apuce din nou. Și pentru că există mai multe etape, de la un semnal până la producerea unei proteine, slăbiciunea la un pas se adaugă la neajunsul celor precedente.

Biologii care practică biologia sintetică ar dori să manipuleze E. coli și alte celule în același mod în care manipulează microprocesoarele. Ei ar dori să schițeze un circuit genetic care să efectueze o anumită operație - cum ar fi invadarea celulelor canceroase și uciderea lor din interior - și conectați aceste gene într-o celulă și să o facă imediat să liciteze. Dar, după cum scriu în cartea mea " Microcosmos", lucrările murdare și murdare ale celulelor reale fac acest fel de succes imediat foarte rar. Oamenii de știință trebuie să își schimbe circuitele, introducând uneori mutații aleatorii pentru a permite selecției naturale să facă ceea ce nu poate. Și așa biologii sintetici abia încep să-și dea seama cum să reînsuflețească celulele pentru a face lucruri pe care un copil cu un set de electronice le poate da seama în câteva ore - cum ar fi să facă luminile care clipesc la o anumită rată. faceti E. coli flash. Tot ce trebuie sa faceti este sa introduceti o gena din meduze pentru o proteina stralucitoare, impreuna cu un segment de ADN pe care alte proteine ​​se poate lega pentru a comuta gena. (Descoperitorii acestei gena au câștigat Premiul Nobel în acest an.) A face bacteriile să devină mai luminoase și mai luminoase într-un ciclu regulat nu este atât de ușor. Incercarile timpurii au condus la bacterii care au sclipit si s-au scos din sincronizare.

Oamenii de stiinta de la Universitatea din California din San Diego au hotarat sa creeze un model de ceas care sa pastreze un timp mai bun. Ei au profitat de faptul că multe gene au închis alte gene și multe alte gene accelerează producția de proteine ​​de la alte gene. Oamenii de știință au schițat un set de gene pe care să le poată trece prin adăugarea unui zahar numit arabinoză. O buclă de feedback pozitiv ar începe, creând tot mai multe proteine ​​meduze strălucitoare. Dar după o întârziere, microbul ar începe să producă proteine ​​care ar închide producția de proteine ​​stralucitoare. (Figura este o diagramă schematică a circuitului lor.)

Pe hârtie, circuitul părea că ar trebui să funcționeze așa cum sperau oamenii de știință. Ei au asamblat genele pe inele de ADN numite plasmide și le-au introdus în E. coli . Bacteriile au început să strălucească în impulsuri, iar acele impulsuri se desfășurau fără probleme de la o generație de bacterii la alta. Dar oamenii de stiinta au fost surprinsi sa afle ca in unele moduri bacteriile se comportau in moduri pe care modelul nu le-a prezis. Adăugarea mai multor arabinoză a făcut ceasul să funcționeze mai lent. Chiar mai ciudat era faptul că ceasul era fiabil într-un spectru larg de condiții. Funcționează fiabil dacă bacteriile sunt reci sau calde. Bacteriile se aprinde în cicluri regulate, indiferent dacă se reproduc ca niște nebuni de câteva ori pe oră sau mai puțin de o dată pe oră. Modelul a sugerat că ceasul ar trebui să funcționeze numai dacă condițiile au fost gestionate cu atenție. Deci oamenii de stiinta si-au revizuit modelul. Pentru a se potrivi cu realitatea, au trebuit să adauge o mulțime de detalii noi, cum ar fi rata la care proteinele și ARN-ul sunt distruse.

În unele privințe, aceasta este o veste proastă. Biologii sintetici nu vor putea să scape cu modele simple de intrare și ieșire de la microbii lor manipulați. Vestea bună este că acum oamenii de știință au inventat un ceas bacterian care poate fi reglat pentru a lucra la diferite cicluri și pentru a face acest lucru în mod fiabil. În loc să producă lumină, microbii ar putea produce medicamente eliberate în timp sau alte substanțe care trebuie create la intervale de timp. Poate chiar să ajute oamenii de știință să înțeleagă buclele de feedback din propriile noastre organisme care produc ritmuri constante pe parcursul minutelor, orelor sau zilelor. Într-o zi, slăbiciunea noastră interioară nu mai poate fi un astfel de mister.

Cu dragostea lui Jeff Hasty, UCSD

Imagine de la Leo Reynolds, Flickr


Articole Interesante

Cum am putea găsi Pământul oricum?

Cum am putea găsi Pământul oricum?

Lee Billings are un eseu interesant în SEED în această lună despre cum extraterestrii ar localiza Pământul din altă parte a universului. "Pe măsură ce sonda se apropia, lacunele din norii de mai jos continentele dezvăluite s-au împrăștiat în mijlocul unui ocean înconjurat de lume. Într-un vast

Atom Smashers

Atom Smashers

Într-o vreme în urmă, Sean a scris despre filmul documentar "The Atom Smashers" de Clayton Brown și Monica Ross, doi regizori din zona Chicago. Filmul este în editare finală acum și, de fapt, va avea loc la Muzeul de Știință și Industrie din Chicago luna viitoare, 19 septembrie! Soția mea Robin și cu mine, care apar în film, și prietenii și colegii noștri buni, Ben Kilminster și Marcela Carena, vor fi într-o discuție de grup după film. Vestea fantastica e

Flashback Vineri: Motivul real al nasului Rudolph a fost roșu.

Flashback Vineri: Motivul real al nasului Rudolph a fost roșu.

(Ea este Red Hot Science Week aici la Seriously, Science? Toata saptamana vom fi featuring stiinta care se concentreaza pe culoarea rosie.) Dacă vă întrebați dacă oamenii de știință au un simț al umorului, nu mai căutați. Acest ecolog norvegian a decis să-l diagnosticheze pe Rudolph cu renul născut roșu, concluzionând că renumitul ren a suferit de o infecție parazitară a sistemului respirator (LOL!) Poate că de ace

Dovezile ADN-ului dovedesc că Prințul și Prințesa Romanov se odihnesc în pace

Dovezile ADN-ului dovedesc că Prințul și Prințesa Romanov se odihnesc în pace

Rezultatele ADN-ului au determinat în mod definitiv să se odihnească una dintre legendele provocate de revoluția rusă, dovedind o dată pentru totdeauna că întreaga familie Romanov - țarul Nicolae al II-lea, Tsarina Alexandra și toți cei cinci copii ai lor - au fost uciși de membrii Gărzii Roșii în anul 1918. Analiza genet

Trofeul marchează o nouă eră pentru știința cetățenilor în sala de clasă

Trofeul marchează o nouă eră pentru știința cetățenilor în sala de clasă

Prin Egle Marija Ramanauskaite, Coordonator al Științei Cetățenești la EyesOnALZ 21 decembrie 2017 ar putea să intre în cărțile de istorie ca prima zi când un trofeu științific a fost acordat vreodată unei școli. Trofeul, acordat 250 de studenți pentru a contribui la cercetarea Alzheimer, este acum prezentat cu mândrie lângă trofeele sportive și premii speciale de realizare la o școală de mijloc din Boise, ID. Dar povestea începe

Sărbătoriți Ziua mondială a oceanelor cu știința cetățenilor

Sărbătoriți Ziua mondială a oceanelor cu știința cetățenilor

Pe 8 iunie, oamenii din întreaga lume vor sărbători Ziua mondială a oceanelor, o zi rezervată pentru onorarea și protejarea oceanelor noastre. Pentru a vă ajuta să participați la Ziua mondială a oceanelor, am făcut o listă cu 7 proiecte de știință cetățenească bazate pe ocean care au nevoie de ajutorul dvs. Suntem parteneri