Cartas de un joven biólogo - 💡 Fix My Ideas

Cartas de un joven biólogo

Cartas de un joven biólogo


Autor: Ethan Holmes, 2019

Recibí esta nota de Cory Tobin hace varios meses. Fue parte de una cadena de correo electrónico iniciada por nuestro amigo mutuo, Mac Cowell. Mac me dijo que Cory estaba trabajando en un interesante proyecto de biología que comenzó en su apartamento y que ahora estaba floreciendo en el espacio de Los Biohackers. Tenía que saber más.

Hice referencia al proyecto de Cory en una publicación anterior sobre los diferentes tipos de aficionados que están redefiniendo y reimaginando la ciencia y la exploración ciudadana.

Aquí está Cory:

9 de septiembre Cory Tobin 9/9, 1:54 am

De acuerdo, no quiero hacer ninguna suposición sobre tu conocimiento de bio / química, así que solo te daré mi discurso típico a partir de lo básico. No te ofendas si ya sabes esto. De todos modos, aquí está ...

Todos los seres vivos necesitan nitrógeno para construir proteínas. El nitrógeno es bastante abundante en la atmósfera (78%) pero está en la forma de N2, que es una molécula muy estable, por lo que su uso directo es casi imposible. Los humanos obtienen algo de nitrógeno de las proteínas de las plantas o más de la carne que, mientras la carne estaba viva, la obtuvo de comer plantas. La mayoría de las plantas obtienen nitrógeno del suelo, ya sea en forma de amonio, nitratos, aminoácidos libres o, en menor grado, nitritos. Estos compuestos son principalmente el resultado de otros organismos en descomposición. Pero, ¿de dónde vino originalmente? En algún momento alguien tuvo que obtenerlo de la atmósfera, de lo contrario, habría una pérdida neta, ya que estos compuestos que contienen nitrógeno se lavan en el océano o se convierten en gas nitrógeno y regresan a la atmósfera.

Antes de que los humanos comenzaran a interferir, la única fuente terrestre de nitrógeno (por ahora ignoraré el océano) eran los nódulos de las raíces en algunas especies de plantas.Hay bacterias que viven en estos nódulos que convierten N2 (nitrógeno gaseoso) de la atmósfera en NH3 (amonio) que la planta puede usar fácilmente. Es una relación simbiótica donde la planta proporciona un ambiente acogedor para las bacterias, así como los carbohidratos de la fotosíntesis, mientras que las bacterias producen amoníaco que se convierte rápidamente en aminoácidos. La razón para el nódulo es que las enzimas bacterianas que realizan la reacción N2 ==> NH3, llamadas "nitrogenasas", se envenenan con el oxígeno. El nódulo proporciona un entorno relativamente libre de O2 para que las enzimas puedan funcionar de manera eficiente.

En una tangente relacionada, uno de los ingredientes principales del fertilizante es el nitrato de amonio. Esto se produce a través del proceso Haber, donde se usa gas natural para calentar el N2 gaseoso hasta altas temperaturas en presencia de un catalizador para producir varios compuestos de nitrógeno. Supuestamente, alrededor del 2% del suministro total de energía del mundo se utiliza en esta única reacción química, aunque todavía tengo que encontrar datos sólidos sobre esto.

De todos modos, los agricultores rocían este material en sus campos para mejorar el rendimiento, pero gran parte de él se desperdicia a medida que se escurre en los cursos de agua que causan la proliferación de algas tóxicas y, finalmente, en el mar, donde causa más problemas para la vida marina. De vuelta a la historia ...

Para que estas bacterias y sus nitrogenasas funcionen, necesitan un ambiente libre de oxígeno. Así que no puedes simplemente tomar la bacteria y cubrir una planta con ella y esperar que funcione.

Solo algunas especies de plantas tienen nódulos para sostener la fijación de nitrógeno. Y, desafortunadamente, las plantas que los humanos cultivan en la mayor abundancia (maíz, arroz, trigo) no tienen nódulos. Las personas han estado tratando de diseñar nódulos de raíz en especies no nodulares durante algún tiempo sin mucha suerte. Resulta que es un fenómeno bastante complejo. Lo ideal sería hacer que una planta produzca nódulos para que los agricultores no tengan que botar tanto fertilizante en todas partes, ya sea por un recubrimiento especial de semillas o por modificación genética. Pero hasta ahora, no hay suerte. Lo único que he visto recientemente que podría ser prometedor es esta compañía: azotictechnologies.com. Sé que en qué están trabajando, pero aún tengo que ver datos que demuestren que puede reemplazar a los fertilizantes.

Una posible forma de evitar este problema de nódulos es encontrar una nitrogenasa que sea tolerante al oxígeno. Entonces no tendrías que lidiar con la ingeniería o inducir la nodulación. Podrías imaginar que si tuvieras un sistema así, podrías simplemente poner el gen directamente en la planta para que no se necesiten bacterias, o tal vez hacer un recubrimiento de semilla que contenga algunas esporas bacterianas que contengan este gen, etc. Algo más simple que hacer nódulos de la raíz y menos contaminante y derrochador que el fertilizante.

En los años 90, hubo un profesor en Alemania, Ortwin Meyer, quien encontró una bacteria que fijaba el nitrógeno en presencia de oxígeno. Él y su equipo en realidad estaban buscando bacterias que redujeron el monóxido de carbono y descubrieron esta nitrogenasa por accidente. En Alemania, la gente hace carbón enterrando leña y encendiéndola en el subsuelo para que sufra pirólisis, expulsando todo tipo de gases desagradables y dejando atrás el carbón. Meyer et al tomaron algunas muestras de suelo de uno de estos "montones" de carbón, por falta de una palabra mejor. Una de las bacterias que aisló del suelo consumió monóxido de carbono pero también fijó nitrógeno. Lo llamaron Streptomyces thermoautotrophicus.

En algún momento, todos los estudiantes y posdoctorados abandonaron el laboratorio y nadie continuó el proyecto estudiando la función de la nitrogenasa. Me puse en contacto con todos los que habían trabajado en él y todos dijeron que ya no tenían la especie. No los creo, pero es irrelevante. Entonces parecía que la especie se había perdido. Después de obtener la respuesta de todas esas personas, decidí intentar aislar la especie yo mismo. Aquí es donde tengo una suerte increíble. Debería haber comprado un boleto de lotería este día. Estaba hablando con uno de mis amigos alemanes, Dirk, sobre este proyecto, tratando de determinar si había cometido algún error cultural que pudiera explicar por qué estos científicos estaban siendo difíciles y cautelosos. Me dijo que el vecino de su papá es dueño de una "fábrica" ​​de carbón en la región donde se había aislado S. thermoautotrophicus. Dirk lo llamó y resulta que este tipo posee la propiedad exacta donde Meyer había aislado esa especie. Así que este tipo me envía una muestra de suelo de uno de sus montones de carbón para que trate de aislar nuevamente esta especie.

Esto plantea la pregunta de cómo hago para volver a aislar las bacterias. De la literatura sabía que el enfoque básico era colocar la muestra de suelo en un matraz, cubrirla con un poco de agua que contenga algunas sales, minerales y otros micronutrientes, calentarla hasta 65 ° C y luego bombearla a los gases que esta especie ama. comer. Consume monóxido de carbono o una combinación de hidrógeno y dióxido de carbono. Ya que trabajar con CO en mi apartamento (todo esto fue hecho al estilo DIY) estaba fuera de la cuestión, fui con H2 / CO2. Mi diseño inicial incluía una cámara de crecimiento hermética con elemento calefactor, hidrógeno producido a partir de la electrólisis del agua y el CO2 entregado desde un recipiente, a través de algunos tubos y válvulas conectados a la cámara. Esto fue un completo desastre y nunca pude funcionar más de un par de días antes de que alguna parte se corrolara por la alta temperatura, la humedad y el gas corrosivo.

Mi segundo diseño estaba centrado alrededor de un refrigerador de plástico que recogí de Target. Había una lámpara de calor en el interior controlada a través de un relé y un Arduino que mantenía la temperatura suave de 65 ° C. La muestra de suelo se sentó dentro de un matraz con la combinación adecuada de vitaminas y minerales. Para generar los gases tenía 2 vasos de plástico grandes, 1 para hidrógeno y 1 para dióxido de carbono. Para producir hidrógeno, coloqué polvo de aluminio en la taza y luego lo vertí en NaOH 1M. Para producir dióxido de carbono fui al bicarbonato de soda y vinagre, al estilo de la feria de ciencias de la infancia. Así que vertía los líquidos en los polvos y luego cerraba la tapa del enfriador rápidamente para atrapar los gases. Haría esto dos veces al día para mantener la concentración de los gases. Finalmente conseguí que crecieran algunas bacterias que coincidían con la descripción de la especie original. Así que había aislado lo que parecían ser las bacterias fijadoras de nitrógeno tolerantes al O2 originales.

Mientras tanto, desde que había estado publicando todo esto en una wiki pública, llamé la atención de un par de científicos más que estaban interesados ​​en ayudar. Nuestra colaboración ha logrado confirmar que esta bacteria está fijando nitrógeno. Lo hicimos al cultivarlo en presencia del isótopo 15-N2, que es un isótopo no radiactivo del nitrógeno que ocurre muy raramente en la naturaleza. Extrajimos proteínas de las bacterias y las corrimos a través de un espectrómetro de masas. La especificación de masa mostró que el 15N se incorporó a las proteínas, por lo que sabemos que está fijando nitrógeno. También hemos secuenciado el genoma de esta bacteria que resultó más difícil de lo que se había planeado inicialmente, pero en su mayor parte está hecho. Ahora el objetivo es doble: 1) averiguar qué genes codifican para la nitrogenasa y 2) determinar si la nitrogenasa es de hecho tolerante al O2. La investigación original sobre esta especie no fue concluyente, así que tenemos que asegurarnos.

En este momento nos estamos dirigiendo al # 1 utilizando RNA-Seq para medir básicamente qué genes se activan cuando las bacterias se ven obligadas a fijar su propio nitrógeno (eliminando el amoníaco de los medios de crecimiento). Entonces, cultivamos una muestra con amoníaco y otra sin, luego medimos el nivel de expresión de todos los genes (RNA-Seq), comparamos las 2 muestras y vemos cuáles se activan cuando se elimina el amoníaco. Estos genes * deberían * ser los involucrados en la vía de la nitrogenasa, pero la biología siempre es complicada y complicada, por lo que probablemente no sea tan concluyente. Eventualmente tendremos que hacer nocauts, donde eliminamos los genes que creemos que están involucrados y veremos si se elimina la función de la nitrogenasa para estar 100% seguro.

En cuanto al # 2, eso está en el segundo plano por ahora porque será muy difícil de probar sin el # 1.

Mi objetivo final es poder tomar un conjunto de genes de Streptomyces thermoautotrophicus y ponerlos en otra especie, ya sea una planta o un alga o algo así, y hacer que esa especie también fije su propio nitrógeno. Sería muy útil no solo en el sector agrícola sino también en las operaciones de biocombustibles de algas industriales.

Entonces, si tiene ansiedad y se salta al final, el objetivo es diseñar sistemas biológicos para que no necesiten fertilizantes a base de nitrógeno. Todavía estamos lejos de ese objetivo, pero estamos progresando constantemente.

Si tiene alguna pregunta, hágamelo saber. Siempre estoy feliz de hablar de ciencia. Lo siento por la novela.

Cory es un ejemplo perfecto del tipo de profesional que se está aprovechando de las nuevas herramientas y modelos amateur. Sospecho que esta tendencia solo crecerá: los proyectos como Cory's tendrán éxito en Kickstarter o Experiment, los biospacios (uno nuevo que se acaba de abrir al lado de nosotros en Berkeley) comenzarán a producir proyectos sumamente relevantes y, con suerte, las fundaciones que otorgan subvenciones se darán cuenta de que hay grandes potencial para sembrar un gran número de estos proyectos de aficionados de bajo costo con algún tipo de micro-donación, y más documentos de post como Cory comenzarán sus propios proyectos de estilo fabricante. Esa es mi esperanza, al menos.



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