นักวิทยาศาสตร์สร้างแบคทีเรียเพื่อรับมือกับสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย

ชีววิทยาสังเคราะห์ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ออกแบบสิ่งมีชีวิตใหม่ ใช้ประโยชน์จากความสามารถเพื่อนำไปสู่การแก้ปัญหาที่เป็นนวัตกรรม ซึ่งครอบคลุมการผลิตวัสดุชีวภาพอย่างยั่งยืน ไปจนถึงการตรวจจับเชื้อก่อโรคและโรคขั้นสูง ดร. โทมัส โกโรโชวสกี้ ผู้เขียนร่วมอาวุโสและนักวิจัยมหาวิทยาลัย Royal Society ในโรงเรียนวิทยาศาสตร์ชีวภาพแห่งบริสตอลกล่าวว่า "ระบบทางชีววิทยาเชิงวิศวกรรมหลายระบบที่เราสร้างขึ้นจนถึงปัจจุบันนั้นเปราะบางและแตกหักง่ายเมื่อนำออกจากสภาวะที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวังของ ห้องปฏิบัติการ สิ่งนี้ทำให้การปรับใช้และการปรับขนาดทำได้ยาก” เพื่อจัดการกับปัญหานี้ ทีมงานได้มุ่งเน้นไปที่แนวคิดในการสร้างโปรตีนสำรองภายในเซลล์เมื่อถึงเวลาที่เหมาะสม จากนั้นจึงทำลายโปรตีนเหล่านี้ลงเมื่อสภาวะต่างๆ ยากลำบากและต้องการสารอาหารเพิ่มเติม Klara Szydlo ผู้เขียนคนแรกและนักศึกษาระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยฮัมบูร์ก อธิบายเพิ่มเติมว่า "เซลล์ต้องการส่วนประกอบสำคัญ เช่น กรดอะมิโน ในการทำงานและอยู่รอด เราดัดแปลงแบคทีเรียให้มีแหล่งสำรองที่ป้องกันได้ ซึ่งต่อมาสามารถแตกตัวและปล่อยออกมาเมื่อได้รับสารอาหาร วิศวกร กลายเป็นสิ่งหายากในสภาพแวดล้อมที่กว้างขึ้น สิ่งนี้ทำให้เซลล์สามารถทำงานต่อไปได้แม้ในช่วงเวลาที่ยากลำบาก และทำให้เซลล์แข็งแกร่งขึ้นเมื่อเผชิญกับความท้าทายที่คาดไม่ถึง" ในการสร้างระบบดังกล่าว ทีมงานได้ออกแบบแบคทีเรียให้ผลิตโปรตีนที่เซลล์ไม่สามารถนำไปใช้ได้โดยตรง แต่ถูกจดจำโดยเครื่องจักรระดับโมเลกุลที่เรียกว่าโปรตีเอส เมื่อสารอาหารผันผวนในสิ่งแวดล้อม โปรตีเอสเหล่านี้สามารถถูกเรียกให้ปล่อยกรดอะมิโนซึ่งเป็นโปรตีนสำรอง กรดอะมิโนที่ปล่อยออกมาช่วยให้เซลล์เติบโตต่อไป แม้ว่าสภาพแวดล้อมจะขาดสารอาหารที่จำเป็นก็ตาม ระบบทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่ชีวภาพที่เซลล์สามารถแตะเข้าไปได้เมื่อไฟหลักถูกตัด ดร. Gorochowski กล่าวเพิ่มเติมว่า: "การพัฒนาระบบเช่นนี้เป็นเรื่องยากเพราะมีแง่มุมที่แตกต่างกันมากมายในการออกแบบที่ต้องพิจารณา โปรตีนสำรองควรมีขนาดใหญ่เพียงใด สิ่งนี้จำเป็นต้องถูกทำลายอย่างรวดเร็วเพียงใด ความผันผวนของสิ่งแวดล้อมประเภทใดที่จะเกิดขึ้นได้ เรามีคำถามมากมายและไม่มีวิธีง่ายๆ ในการประเมินตัวเลือกต่างๆ" เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมงานได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ช่วยให้สามารถจำลองสถานการณ์ต่างๆ มากมาย และเข้าใจได้ดีขึ้นว่าระบบทำงานได้ดีตรงจุดไหนและจุดไหนที่ระบบล่ม ปรากฎว่าจำเป็นต้องมีความสมดุลอย่างระมัดระวังระหว่างขนาดของโปรตีนสำรอง ความเร็วในการสลายเมื่อจำเป็น และระยะเวลาที่สารอาหารขาดแคลน สิ่งสำคัญคือแบบจำลองยังแสดงให้เห็นว่าหากมีปัจจัยเหล่านี้รวมกันอย่างเหมาะสม เซลล์สามารถป้องกันได้อย่างสมบูรณ์จากการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อม ศาสตราจารย์ Zoya Ignatova ผู้เขียนร่วมอาวุโสจาก Institute of Biochemistry and Molecular Biology แห่งมหาวิทยาลัยฮัมบูร์ก กล่าวสรุปว่า "เราสามารถแสดงให้เห็นว่าการจัดการปริมาณสำรองของทรัพยากรสำคัญในเซลล์อย่างรอบคอบเป็นวิธีการที่มีคุณค่าในการสร้างแบคทีเรียที่ต้องดำเนินการอย่างไร ในสภาพแวดล้อมที่ท้าทายความสามารถนี้จะมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อเราปรับใช้ระบบของเราในสภาพแวดล้อมจริงที่ซับซ้อนและงานของเราช่วยปูทางสำหรับเซลล์ทางวิศวกรรมที่แข็งแกร่งมากขึ้นซึ่งสามารถทำงานได้ในลักษณะที่ปลอดภัยและคาดการณ์ได้"