Wetenschappers zetten genen van gist aan en uit met computer

Wetenschappers zijn erin geslaagd om genen aan en uit te zetten met behulp van een computer. Hiervoor worden lichtsignalen gebruikt, die in Saccharomyces cerevisiae, beter bekend als bakkersgist, worden vertaald naar genexpressie.

Voor het computergecontroleerde genonderzoek werd gebruikgemaakt van phytochromen in de gist. Deze eiwitten komen veel voor in planten en zijn gevoelig voor licht. Een bundel rood licht is in staat om het eiwit in zijn actieve vorm te laten veranderen, wat er uiteindelijk toe leidt dat de cel genen gaat uitlezen, om vervolgens eiwitten te produceren. De productie is weer stop te zetten door phytochrome terug naar zijn inactive vorm te brengen met behulp een bundel rood licht dat verderop in het spectrum ligt.

De wetenschappers hebben op het desbetreffende gen een stukje code ingebouwd dat codeert voor een fluorescent label. Wanneer het eiwit wordt aangemaakt onder invloed van de lichtbundel en phytochrome, krijgt de computer feedback over de hoeveelheid die wordt geproduceerd door de intensiteit van het ingebouwde fluorescente label. Hierdoor ontstaat een 'feedback-loop' die de computer in staat stelt om de productie nauwgezet te controleren. Als de computer een overdaad aan geproduceerd eiwit detecteert, is het mogelijk om de productie te verlagen met een kortere bundel licht, of door phytochrome met behulp van een bundel dieprood licht stop te zetten.

S. cerevisiae wordt niet alleen gebruikt om brood mee te bakken, maar is voor wetenschappers ook een modelorganisme in de genetica. Dit omdat veel genen en eiwitten in de gist overeenkomen met die van de mens.

De ontdekking kan gebruikt worden om de gist bijvoorbeeld geneesmiddelen te laten produceren. Door micro-organismen genetisch te modificeren, kunnen zij eiwitten maken die op andere wijze moeilijk te synthetiseren zijn. Ook bacteriën worden veel voor dat doel ingezet.

Reacties (25)

Deze genregulatie vind in de natuur ook uit zichzelf plaats (denk aan methylatie,Post-transcriptional regulation, operonen). Maar het is mooi om te zien dat dit nu ook kunstmatig gedaan kan worden.

Ik kan mezelf mooie dingen voorstellen met deze techniek. Zeker als het opwekken van de reactie niet meer door extern licht zou hoeven.
Zelf denk ik aan het belichten van het fluorescente label dmv een eiwit als luciferase (klasse van enzymen die voor bioluminscentie zorgen.

Ik kan me toepassingen voorstellen als nanobolletjes gevuld met een medicijn wat geactiveerd wordt door het te belichten.
Denk dat dit een veelbelovende techniek wordt in de toekomst.

@PixelPhobiac
Studeer jij bioinformatica in Nijmegen, net als ik?

Ik ben erg benieuwd hoe snel ze dit systeem (of vergelijkbaar) kunnen toepassen op andere bacterie culturen. De gist cellen hadden het grootste gedeelte van de benodigde genen al, het hele stuk om te reageren op licht en daarmee genen aan en uit te schakelen.

Als je dit in andere bacterien weet te bouwen (niet geheel triviaal), dan kun je bio-productie een stuk beter controleren. Insuline is het eerste wat bij mij bovenkomt. Momenteel maken ze dat met bacterien, maar moeten ze wat trucs uithalen om de insuline productie aan te zetten.
Op deze manier kun je de insuline productie veel beter sturen door simpelweg het juiste licht op de bacterien te laten schijnen.

Waarom zou je het uit willen zetten? Het lijkt mij gewoon een kwestie van of uit het medium halen (afdraaien, supernatant eraf halen en bacterien terug in het vat); of het halen uit de bacterien wat ook afdraaien is en dan een pellet van bacterien lyseren (i.e. kapotmaken).

Dat doen we geregeld in het lab, allicht dat we iets hogere eisen hebben aan medicijnen maar het principe blijft hetzelfde.

Waarom zou je een telefoon willen hebben? Je kunt toch ook gewoon de oceaan overzwemmen?

Wat denk je dat makkelijker is? Een paar honderd keer per seconde het aan en uit kunnen zetten via je smartphone (bijv. tijdens je lunch) of jouw handmatige operaties?

Dit soort dingen zullen ook toepassingen vinden in de automatisering van onderzoek. Dus, ik zou niet verbaast zijn als er over 20 jaar een webservice komt waar je naar alle hartelust zelf genetica kunt doen vanuit je luie stoel waar je dus je eigen organismen voor bepaalde doeleinden kunt programmeren.

Biologie is redelijk interessant, maar niet iedereen houd van al dat handwerk (en ja, zelfs een buisje oppakken en vullen is handwerk).

Wat je wilt is kunnen zeggen (tegen een computer):
selecteer 10000 bacterie soorten uit de database, zet die op kweek (of selecteer al bestaande op kweek beschikbare soorten), voeg nu binnen coordinaten (x,y) (x2,y2) stof Y toe en vertel me een week later hoeveel bacteriën er nog over zijn.

Je wilt dan natuurlijk ook operaties als 'voeg x mg van stof Y toe aan voedingsbodem met nummer n'. Op deze manier kun je waarschijnlijk over een periode van enkele jaren bacteriën maken die in allerlei moeilijke omgevingen toch kunnen overleven of ze natuurlijk selecteren op een bepaalde functie waarin je bent geinteresseerd.

Ik ben geen bioloog, maar zelfs voor mij is het overduidelijk dat automatisering van processen ongelooflijk belangrijk is voor vooruitgang.

Het is niet heel logisch om een hele machinerie die in gist al aanwezig is proberen te transplanteren naar een bacterie (E. coli) zodat je daarmee insuline kunt maken. Dan zou je beter kunnen kijken hoe je de insuline in dit gist systeem kunt produceren, in plaats van het overbrengen van de hele machinerie hoef je maar 1 gen over te brengen.

Persoonlijk zie ik niet direct de voordelen van dit systeem boven traditionele induceerbare systemen. Het meten van de expressie door de fluorescente tag is leuk, maar in de praktijk wil je juist in situaties waarin je dergelijke systemen gebruikt voor de productie van eiwitten, het eiwit zo min mogelijk veranderen. Het toevoegen van een fluorescente tag kan de werking van het orginele eiwit verstoren.

Ook hierboven geschetste situaties over gebruik in brood en alcohol zijn onrealistisch. Als eerste het punt dat bijvoorbeeld brood niet doorzichtig is en je dus lastig een specifieke lichtbundel bij de gistcellen krijgt of uit kan lezen. Maar veel belangrijker, er worden in dergelijke producten natuurlijke gisten gebruikt. We weten hoe die reageren in bepaalde omstandigheden en kunnen op die manier consistentie en kwaliteit zeer nauwkeurig beïnvloeden. Genetisch gemodificeerde gisten krijg je daar niet zomaar als vervanging voor natuurlijke gisten, al is het maar omdat de consument bang is voor de term 'genetisch gemodificeerd'.

Ben benieuwd hoe dit in de praktijk uit gaat werken, en hoelang dit gaat duren.

In het artikel staat:
"De wetenschappers hebben op het desbetreffende gen een stukje code ingebouwd dat codeert voor een fluorescent label."

Wat bedoelt men hier met 'een stukje code'?

Je kunt achter een gen (wat codeert voor een eiwit) een ander gen zetten wat codeert voor een eiwit wat fluoresceert. Je krijgt dan een zogenaamd fusie-eiwit, je originele eiwit met daarna een label wat fluoresceert. Eigenlijk is het 1 molecuul want het bestaat uit 1 ketting aminozuren.

Edit: Normaal in de biologie gaat het zo:
DNA is een streng (ketting) moleculen die je A, T, C en G kunt noemen. Met de A, T, C en G's worden 3 letter woorden gevormt, bijvoorbeeld ATG, dit woord staat voor 1 aminozuur. Dus een hele streng DNA, ATG GTC CTG CTG TAG ... staat voor een streng aminozuren. Omdat de aminozuren interacties met elkaar aangaan vouwt de ketting zichzelf op tot een functionele nano-machine die een functie binnen het lichaam kan vervullen (of kan fluoresceren in sommige gevallen).

Dit is een voorbeeld van een fluorescerend eiwit: http://en.wikipedia.org/wiki/Green_fluorescent_protein
De streng van dit eiwit vouwt zich tot een mooie ton-vorm met een fluorescerende kern.

[Reactie gewijzigd door teek2 op 7 november 2011 14:30]

Een stukje DNA dat hiervoor codeert.

Mogelijk een stuk DNA dat een gedeelte van het eiwit geschikt maakt om bepaalde fluorescente labels aan vast te maken.

waar en
wie?

Gevonden: De Amerikaanse en Zwitserse biotechnologen publiceerden hun resultaten 6 november in Nature Biotechnology.
John Lygeros - hoogleraar automatische controle aan de universiteit van Zurich en een van de auteurs van de nieuwe publicatie.

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 424122 op 7 november 2011 14:04]

Voeren ze straks een DDOS uit op je biertje

Het biedt wel perspectieven voor het brouwen van bier op industrieel niveau. Zo kan je met deze techniek nauwkeuriger de activiteit van het gist controleren en ook aanpassen. Wat uiteindelijk zal leiden tot een betere kwaliteitscontrole en daardoor ook hopelijk een beter biertje. Dit zal waarschijnlijk ook het geval zijn bij productie van wijn, yoghurt en brood.

Wetenschappers kunnen het al in muizen een tijdje via een soortgelijke methode (optogenetics), dat gebruiken we voor het bekijken van neuronen. Veel cooler dan die gistjes We kunnen dan dus neuronen aan en uit zetten dmv van licht (de Channelrhodopsin and Halorhodopsins). (zie ook http://www.stanford.edu/g...izhar%20neuron%202011.pdf een overzicht van een groep uit Stanford in het blad Neuron)

Ik ben echt blij dat ik bio-informatica als studie gekozen heb....

Zou dit ook interessant kunnen zijn voor mensen met coeliakie?

Zo complex, en dan nu nog evolutie aanhangen die verteld dat dit door een ontploffing komt waarbij niet explodeerde door niets en dat oersimpel dat dit creëerd? Hmmm...

Oersoepje*