Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Lettres d'un jeune biologiste

J'ai reçu cette note de Cory Tobin il y a plusieurs mois. Cela faisait partie d'une chaîne de courrier électronique créée par notre ami commun, Mac Cowell. Mac m'a dit que Cory travaillait sur un projet de biologie intéressant qui avait débuté dans son appartement et qui était maintenant florissant dans l'espace de Biohackers à Los Angeles. Je devais en savoir plus.

Dans un précédent article, je faisais référence au projet de Cory sur les différents types d’amateurs qui redéfinissent et réinventent la science et l’exploration citoyennes.

Voici Cory:

9 septembre Cory Tobin 9/09, 1h54

OK, je ne veux pas émettre d’hypothèses sur vos connaissances en bio / chimie, je vais donc vous donner mon récit typique à partir des bases. Ne soyez pas offensé si vous connaissez déjà ce genre de choses. Quoi qu'il en soit, la voici…

Toutes les choses vivantes ont besoin d'azote pour construire des protéines. L’azote est assez abondant dans l’atmosphère (78%), mais il se présente sous la forme de N2, une molécule très stable. Son utilisation directe est donc pratiquement impossible. Les protéines végétales fournissent aux humains une source d’azote ou plus encore de la viande, qui, alors que la viande était encore en vie, l’a obtenue en mangeant des plantes. La plupart des plantes obtiennent de l'azote du sol sous forme d'ammonium, de nitrates, d'acides aminés libres ou, dans une moindre mesure, de nitrites. Ces composés sont principalement le résultat d'autres organismes en décomposition. Mais d'où vient-il à l'origine? À un moment donné, quelqu'un devait le récupérer dans l'atmosphère, sinon il y aurait une perte nette du fait que ces composés contenant de l'azote sont entraînés dans l'océan ou convertis en azote gazeux et retournent dans l'atmosphère.

Avant que les humains ne commencent à interférer, la seule source d'azote terrestre (j'ignorerai l'océan pour l'instant) était les nodules des racines de certaines espèces de plantes.Il existe dans ces nodules des bactéries qui convertissent le N2 (azote gazeux) de l'atmosphère en NH3 (ammonium), que la plante peut facilement utiliser. C’est une relation symbiotique dans laquelle la plante fournit un environnement confortable pour les bactéries ainsi que les glucides issus de la photosynthèse, tandis que les bactéries produisent de l’ammoniac qui est rapidement converti en acides aminés. La raison de ce nodule est que les enzymes bactériennes responsables de la réaction N2 ==> NH3, appelées «nitrogénases», sont empoisonnées à l’oxygène. Le nodule fournit un environnement relativement exempt d'oxygène afin que les enzymes puissent fonctionner efficacement.

Sur une tangente apparentée, l’un des principaux ingrédients de l’engrais est le nitrate d’ammonium. Ceci est produit par le procédé Haber où le gaz naturel est utilisé pour chauffer le N2 gazeux jusqu'à des températures élevées en présence d'un catalyseur afin de produire divers composés azotés. Soi-disant, environ 2% de l’approvisionnement énergétique mondial total est utilisé dans cette réaction chimique unique, même si je n’ai pas encore trouvé de données fiables à ce sujet.

Quoi qu’il en soit, les agriculteurs pulvérisent ces produits dans leurs champs pour améliorer les rendements, mais ils sont en grande partie gaspillés dans les cours d’eau provoquant une prolifération d’algues toxiques, puis dans la mer où ils causent davantage de problèmes pour la vie marine. Retour à l'histoire…

Pour que ces bactéries et leurs nitrogénases fonctionnent, il faut un environnement sans oxygène. Donc, vous ne pouvez pas simplement prendre les bactéries et en enduire une plante et espérer que cela fonctionne.

Seules certaines espèces de plantes ont des nodules pour maintenir la fixation de l'azote. Et malheureusement, les plantes que les humains cultivent dans la plus grande abondance (maïs, riz, blé) n’ont pas de nodules. Les gens tentent depuis longtemps de transformer des nodules de racines en espèces non-nodulantes sans plus de chance. Il s’avère que c’est un phénomène assez complexe. Dans l’idéal, vous pouvez créer une nodule pour que les agriculteurs produisent moins de fertilisants, que ce soit par enrobage spécial ou par modification génétique. Mais jusqu'ici, pas de chance. La seule chose que j'ai vue récemment qui puisse être prometteuse est cette société - azotictechnologies.com. Je sais un peu à quoi ils travaillent, mais je n'ai encore vu aucune donnée montrant qu'elle pourrait remplacer les engrais.

Une façon possible de contourner ce problème de nodule est de trouver une nitrogénase tolérante à l'oxygène. Dans ce cas, vous n’auriez pas à traiter avec l’ingénierie ou la nodulation. Vous pourriez imaginer que si vous disposiez d'un tel système, vous pourriez peut-être simplement insérer le gène dans la plante afin de ne pas utiliser de bactéries, ou peut-être créer un enrobage contenant certaines spores bactériennes portant ce gène, etc. Un moyen beaucoup plus simple que de fabriquer des nodules racinaires et moins polluant et moins coûteux que les engrais.

Dans les années 90, il y avait ce professeur en Allemagne, Ortwin Meyer, qui avait découvert une bactérie qui fixait apparemment l'azote en présence d'oxygène. Son équipe et lui-même recherchaient en réalité des bactéries réduisant le monoxyde de carbone et ont découvert cette nitrogénase par accident. En Allemagne, les gens fabriquent du charbon de bois en enterrant du bois de chauffage et en s'enflammant sous terre de manière à le soumettre à une pyrolyse, en expulsant toutes sortes de gaz nocifs et en laissant derrière eux du charbon de bois. Meyer et al. Ont prélevé des échantillons de sol sur l'un de ces "tas" de charbon de bois, faute d'un meilleur mot. Une des bactéries isolées du sol consommait du monoxyde de carbone mais aussi de l'azote fixé. Ils l'ont appelé Streptomyces thermoautotrophicus.

À un moment donné, tous les étudiants et post-doctorants ont quitté le laboratoire et personne n’a poursuivi le projet d’étude de la fonction nitrogénase. J'ai contacté tous ceux qui avaient déjà travaillé dessus et ils ont tous affirmé ne plus avoir l'espèce. Je ne les crois pas, mais ce n’est pas pertinent. Il semblait donc que l'espèce était perdue. Après avoir eu la chance de tous ces gens, j'ai décidé d'essayer de réisoler l'espèce moi-même. C'est là que j'ai eu une chance incroyable. J'aurais dû acheter un billet de loto ce jour-là. Je parlais à l'un de mes amis allemands, Dirk, de ce projet qui tentait de déterminer si j'avais commis un faux pas culturel qui pourrait expliquer pourquoi ces scientifiques étaient difficiles et rudimentaires. Il m’a raconté que le voisin de son père possédait une «usine» de charbon de bois dans la région où S. thermoautotrophicus avait été isolé. Dirk lui donna un coup de fil et il s'avéra que ce gars-là possédait la propriété exacte où Meyer avait isolé cette espèce. Donc, ce gars m'a envoyé un échantillon de sol de l'un de ses tas de charbon de bois pour que je puisse essayer de ré-isoler cette espèce.

Cela soulève la question de savoir comment procéder pour réisoler la bactérie. Dans la littérature, je savais que l’approche de base consistait à placer l’échantillon de sol dans une fiole, à le recouvrir d’un peu d’eau contenant des sels, des minéraux et d’autres micronutriments, à le chauffer à 65 ° C, puis à pomper les gaz que cette espèce aime. manger. Il consomme soit du monoxyde de carbone, soit une combinaison d'hydrogène et de dioxyde de carbone. Depuis que je travaillais avec CO dans mon appartement (tout était fait en bricolage), il était hors de question que je choisisse H2 / CO2. Ma conception initiale impliquait une chambre de croissance étanche à l’air avec élément chauffant, de l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau et du CO2 provenant d’un bidon, à travers des tubes et des vannes reliés à la chambre. Cette chose était un désastre complet et je ne l'ai jamais fait fonctionner plus de deux jours avant qu'une partie ne devienne trop corrodée à cause de la température élevée, de l'humidité et des gaz corrosifs.

Mon deuxième projet était centré sur un refroidisseur en plastique que j'avais ramassé chez Target. Il y avait une lampe chauffante à l'intérieur contrôlée par un relais et un Arduino qui maintenait la température douce de 65 ° C. L'échantillon de sol était placé dans une fiole avec le mélange approprié de vitamines et de minéraux. Pour générer les gaz, j'avais 2 grandes coupelles en plastique, 1 pour l'hydrogène et 1 pour le dioxyde de carbone. Pour produire de l'hydrogène, j'ai placé de la poudre d'aluminium dans le gobelet, puis j'ai versé NaOH 1M. Pour produire du dioxyde de carbone, je suis allé au bicarbonate de soude et au vinaigre à la manière d'une foire scientifique et scientifique. Donc, je vidais les liquides dans les poudres, puis fermais rapidement le couvercle du refroidisseur pour piéger les gaz. Je le faisais deux fois par jour pour maintenir la concentration de gaz en augmentation. Finalement, j'ai développé des bactéries qui correspondaient à la description de l'espèce originale. J'avais donc isolé ce qui semblait être la première bactérie fixatrice de l'azote tolérante à l'O2.

En attendant, depuis que je publiais tout cela sur un wiki public, j'ai attiré l'attention de deux autres scientifiques intéressés à aider. Notre collaboration a réussi à confirmer que cette bactérie fixait bien l'azote. Nous l'avons fait en le cultivant en présence d'isotope 15-N2, qui est un isotope non radioactif de l'azote qui se produit très rarement dans la nature. Nous avons extrait les protéines des bactéries et les avons passées au spectromètre de masse. La spécification de masse a montré que le 15N était incorporé dans des protéines, nous savons donc qu’il fixe l’azote. Nous avons également séquencé le génome de cette bactérie, ce qui s’est avéré plus difficile que prévu initialement, mais c’est surtout le cas. Maintenant, l’objectif est double: 1) déterminer quels gènes codent pour la nitrogénase et 2) déterminer si la nitrogénase est réellement tolérante à l’oxygène. Les recherches initiales sur cette espèce n’étaient pas concluantes, nous devons donc nous en assurer.

À l’heure actuelle, nous nous attaquons au premier problème en utilisant RNA-Seq pour mesurer en gros quels gènes sont activés lorsque la bactérie est contrainte de fixer son propre azote (en éliminant l’ammoniac du milieu de croissance). Nous cultivons donc un échantillon avec de l'ammoniac et un sans, puis mesurons le niveau d'expression de tous les gènes (ARN-Seq), comparons les 2 échantillons et voyons ceux qui sont activés lorsque l'ammoniac est éliminé. Ces gènes * devraient * être ceux impliqués dans la voie de la nitrogénase, mais la biologie étant toujours complexe et complexe, elle ne sera probablement pas aussi concluante. Finalement, nous devrons faire des knock-outs, où nous retirerons les gènes que nous pensons être impliqués et voyons si cela tue la fonction nitrogénase pour être sûr à 100%.

Pour ce qui est de la n ° 2, elle est pour l’instant car il sera très difficile de tester sans la n ° 1.

Mon but ultime est de pouvoir prendre un ensemble de gènes de Streptomyces thermoautotrophicus et de les placer dans une autre espèce, une plante ou une algue ou quelque chose du genre, et de laisser cette espèce fixer également son propre azote. Ce serait super utile non seulement dans le secteur agricole mais aussi dans les opérations industrielles de biocarburants à base d'algues.

Donc, si vous êtes inquiet et que vous passez à la fin, l'objectif est de mettre au point des systèmes biologiques qui ne nécessitent pas d'engrais à base d'azote. Nous sommes encore loin de cet objectif, mais nous progressons régulièrement.

Si vous avez des questions dites le moi. Je suis toujours heureux de parler de science. Désolé pour la nouvelle.

Cory est un exemple parfait du type de professionnel qui profite des nouveaux outils et modèles amateurs. Je pense que cette tendance ne fera que croître: des projets tels que Cory réussiront sur Kickstarter ou Experiment, des biospaces (un nouvel établissement récemment ouvert à Berkeley) vont commencer à produire des projets extrêmement pertinents et, espérons-le, des fondations fondatrices en subventions se rendront compte qu'il y a de gros potentiel en générant un certain nombre de micro-subventions à un grand nombre de ces projets amateurs à faible coût, et davantage de post-doctorants comme Cory commenceront leurs propres projets de style constructeur. C’est mon espoir, au moins.

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