211service.com
Engineering mikrobielle verdener
Et familietap forsterket Cullen Buies interesse for bakterier - og utnytte dem for godt. 25. april 2018
Cody O'Laughlin
Av verdens utallige bakteriearter (anslag varierer fra millioner til milliarder, avhengig av hvem du spør), har forskere identifisert og katalogisert bare rundt 20 000. Og blant disse artene har færre enn 1 prosent blitt utsatt for den typen fiksing som kan hjelpe forskere i det blomstrende feltet av genteknologi tilpasse dem til utallige menneskelige formål.
Det er bare så mye vi ikke vet, sier Cullen Buie, den nylig ansatt Esther og Harold E. Edgerton karriereutviklingsprofessor i maskinteknikk. Alt av arbeid gjøres på 1 prosent av 1 prosent. Vi skraper bokstavelig talt bare i overflaten.
Men potensialet er enormt: Ved å endre den genetiske koden til eksisterende bakterier, kan forskere i en ikke så fjern fremtid kanskje bygge mikroorganismer som kan gjøre ting som å behandle sykdommer, lage gjødsel etter behov eller rydde opp i oljesøl.
Det er all denne motivasjonen for å prøve å utnytte den mikrobielle verdenen, og folk innser: 'Mann, vi er begrenset av verktøyene våre,' sier han. Så Buie bruker sin mikrofluidikkekspertise til å lage enheter som han håper virkelig kan kaste lys over alle slags problemer som de ikke en gang kunne se på før. Ved MIT leder han Laboratory for Energy and Microsystems Innovation (LEMI), som fokuserer på elektrokjemi, mikrofluidikk og brenselcelleforskning, mye av det rettet mot å finne nye måter å manipulere bakterier på. Han har også stiftet en oppstart som utvikler et mikrofluidisk verktøy som dramatisk kan akselerere tempoet i genteknologi.
Wow, dette er perfekt
Buie satte seg i utgangspunktet ikke for å studere bakterier. Som tenåring hadde han tenkt å satse på medisin, og fulgte i fotsporene til sin eldre søster, Simone. Men å delta på en pre-college engineering camp førte ham til hovedfag i maskinteknikk i Ohio State. Så, som National Science Foundation-utdannet stipendiat ved Stanford, fant han seg tiltrukket av fornybar energi – og av mikro- og nanoteknologi. Så han ble med på laboratoriet til professor i maskinteknikk Juan Santiago, som nettopp hadde mottatt midler til et prosjekt som bygger nanoskalapumper for brenselceller i kjøretøy. Jeg tenkte: 'Wow, dette er perfekt. Dette er alternativ energi og mikroskala på en gang, sier han.
Under Santiago fokuserte Buie på mikrofluidiske elektro-osmotiske pumper som bruker elektriske felt for å regulere trykk og strømningshastighet. For sin avhandling utforsket han bruken av dem i lavtemperatur brenselceller. I et postdoktorstipendium ved University of California, Berkeley, vendte Buie oppmerksomheten mot mikrobielle brenselceller, som ofte brukes i biosensorer og avløpsvannbehandlingsanlegg. Mikrobielle brenselceller inneholder bakterier festet til en elektrode. Når det gis organisk materiale fra kilder som avløpsvann, bryter bakteriene ned maten, slik at elektroner kan utnyttes for å skape en elektrisk strøm.
Overflateegenskaper bestemmer om bakterier som strømmer gjennom en klemt mikrofluidisk kanal immobiliseres av visse elektriske felt. Med tillatelse fra Cullen Buie
Året etter ble bakteriearbeidet personlig. I 2010, kort tid etter at han begynte på MIT-fakultetet som assisterende professor i maskinteknikk, fikk han en telefon. Søsteren hans -Simone hadde blitt innlagt på et sykehus i Ohio tidligere samme dag med rasende feber, rask hjerterytme og smerte. Hun døde timer senere av sepsis, en tilstand som oppstår når kroppens forsøk på å bekjempe vanlige bakterier som Staphylococcus aureus (staph) og Streptokokker utløse betennelse som fører til organsvikt.
Buie var knust. Da han jobbet gjennom sorgen, begynte han å tenke på søsterens død fra et vitenskapelig perspektiv. Det var litt sjokkerende for meg at folk fortsatt døde av bakterielle infeksjoner, sier han. Jeg jobbet allerede med mikrobielle brenselceller, og da dette skjedde, vekket det nysgjerrigheten min rundt bakterier og alle de forskjellige tingene de kan gjøre, både gode og dårlige.
På den tiden var LEMI akkurat i ferd med å komme i gang, og de første studentene og postdoktorene var på vei inn på ulike forskningsveier. Ett prosjekt fokuserte på nye måter å fremstille superhydrofile (vannabsorberende) og superhydrofobe (vannavstøtende) overflater – teknikker som kan være nyttige i marineteknikk – mens et annet fokuserte på å designe en ny type batteri som bruker væskedynamikk for å beholde komponentene. skille.
Det er så mye vi ikke vet. Alt av arbeid gjøres på 1 prosent av 1 prosent. Vi skraper bokstavelig talt bare i overflaten.
I mellomtiden fokuserte andre LEMI-forskere på å utvikle mikrofluidiske verktøy som ville bruke en prosess kalt dielektroforese for å sortere bakterier i henhold til cellenes elektriske egenskaper, som inkluderer polarisering, oppbygging av ladning på overflaten. For dette prosjektet brukte Buies team mikrofluidkanaler på bredden av omtrent fem menneskehår, med flaskehalspunkter omtrent en tidel av størrelsen i midten. De presset celler av Pseudomonas aeruginosa bakterier gjennom kanalene og påførte elektriske felt. Etter hvert som de økte spenningen, gled forskjellige bakteriestammer gjennom kanalen mens andre stoppet ved flaskehals , der det elektriske feltet var mest intenst.
Nøyaktig hvor en celle stoppet – og hvor intenst det elektriske feltet var på det tidspunktet – viste forskerne hvor polarisert overflaten til bakterien var, og ga ledetråder om dens patogenisitet. Flere patogene stammer av Pseudomonas aeruginosa er mer sannsynlig å polarisere ved lavere spenninger, noe som førte til at Buie trodde at forskningen kunne brukes til å hjelpe med å diagnostisere bakterielle tilstander som sepsis i tide for å redde liv.
Mer praktiske metoder fantes imidlertid allerede for å avgjøre om bakterier er patogene. Nå fokuserer Buie på å bruke dielektroforese for å koble genetisk informasjon til de fysiske egenskapene til bakterier. Hvis for eksempel gener blir slått ut av en lite studert bakteriestamme, kan eventuelle resulterende endringer i polarisering gi informasjon om hva som kan være nytten av disse genene eller hvilket område av cellen de kan påvirke, sier han.
Fra utsiden og inn
I 2013 hadde Buie rettet oppmerksomheten mot å finne en måte å dramatisk fremskynde genteknologi. Forskere hadde lenge satt inn forskjellige typer DNA i celler for å prøve å få dem til å for eksempel bekjempe patogener eller metabolisere karbondioksid for å redusere klimaendringene. Men verktøyene for å levere det fremmede DNAet gikk ikke like raskt frem som strategiene for å utnytte de manipulerte cellene, erfarte han etter å ha møtt en representant for Defense Advanced Research Projects Agency på en samtale om syntetisk biologi.
Cody O'Laughlin
For å få DNA inn i cellene er mange forskere avhengige av elektroporasjon - en metode for å bruke finjusterte elektriske pulser for å midlertidig åpne porene i cellemembranene. Men prosessen krever at forskere kjenner det eksakte elektriske feltet som vil åpne porene uten å drepe cellen. Å finne det spesifikke feltet, og det riktige vekstmediet for en gitt bakteriestamme, kan ta år. Og når det er gjort, er prosessen med å forberede, pipettere og elektrisk zapping av hver prøve møysommelig sakte. Buie anslår at en dyktig forsker kan elektroporere bare 20 til 50 prøver i timen, noe som i betydelig grad begrenser antallet eksperimenter et laboratorium kan utføre.
Så ved hjelp av et DARPA-stipend begynte Buie å jobbe med en raskere måte å elektroporere celler på – og til slutt ville han også takle automatisering av prosessen. Teamet hans – som inkluderte LEMI-postdoktorene Paulo Garcia og Jeffrey Moran samt doktorgradsstudent Zhifei Ge, PhD '16 – brukte et oppsett som ligner det i Buies tidligere dielektroforeseeksperimenter, men de la til mikrofluidkanalen en fluorescerende markør som ville gløde i nærvær av DNA. Kanaler ble fylt med bakterier, og etter hvert som elektriske felt økte rundt flaskehalsen, åpnet membranporene seg og slapp inn markøren. Vel inne, reagerte den med bakterienes DNA og fikk cellen til å gløde, og ga en synlig indikator på det elektriske feltet som trengs for å åpne porene til en bestemt stamme.
Når forskerne først vet det, står de fortsatt overfor den møysommelige oppgaven å manuelt zappe hver celle for å sette inn ønsket DNA. Så Buie, -Garcia og LEMI-utdannet forskningsassistent Rameech -McCormack, SM ’17, designet også en pipette som påfører det korrekte elektriske feltet når cellene strømmer gjennom elektrisk ladede mikrofluidkanaler innebygd i spissen. Gjennom oppstarten deres, kalt Kytopen, konstruerer Buie og Garcia (som fungerer som Kytopens administrerende direktør) et automatisert system utstyrt med 96 eller flere samtidig elektroporerende pipetter, som hver kan takle én prøve hvert åttende til 10. sekund. Ved å gjøre det mulig å sette inn DNA i bakterieceller opptil 10 000 ganger raskere, kan enheten tillate forskere å raskt churne gjennom millioner av variasjoner på et eksperiment innen genteknologi. (Kytopen er blant de første selskapene som støttes av The Engine, MITs venturefond/akselerator for startups i tidlig fase som jobber med teknologier med stort potensial, men lang utviklingstid. Se Investing in Tech That’s Worth the Wait , mars/april 2018.)
Buies neste skritt er å prøvekjøre elektroporasjonsenheten sin på organismer som forskerne ennå ikke er i stand til å genmanipulere, og han begynner med bakterier i munnen. Forsyth Institute, en ideell organisasjon for bioteknologiforskning, har isolert hundrevis av varianter av menneskelige orale bakterier. Buie har slått seg sammen med Forsyths Christopher Johnston, en mikrobiologiforsker som utvikler metoder for å unngå celleforsvarssystemer som avviser fremmed DNA. Sammen har de som mål å gjøre minst 200 bakteriestammer tilgjengelig for genteknologi.
Hvis de lykkes med å utvide antallet organismer som forskere kan manipulere betydelig, kan forskningen en dag bli brukt til å konstruere bakterier for viktige bruksområder innen helsevesen, energi, landbruk og miljøvitenskap.
Buie håper arbeidet hans vil gi andre forskere mulighet til å ta på seg vanskeligere spørsmål. Folk vil slutte å si 'Jeg kan ikke jobbe med den feilen' fordi de ikke kan gjøre genetikk, sier han. De vil si: 'Hvorfor prøver vi ikke dette?'