Duurt jaren
Felice Frankel
Blinde darmbacteriën hebben de gave gekregen om kleuren te zien – een soort van. De insecten kunnen hun nieuwe vaardigheid gebruiken om levende fotokopieën te maken van kleurrijke foto's die op hun kolonie schijnen.
“Deze beelden gaan een tijdje mee”, zegt Christopher Voigt van het Massachusetts Institute of Technology. Hij hangt er al een aantal jaren aan de muur in zijn kantoor.
Voigt en zijn collega's begonnen 12 jaar geleden te experimenteren met bacteriële “fotokopieën”. Op dat moment konden ze echter alleen zwart-witafbeeldingen genereren.
Om ervoor te zorgen dat Escherichia coli-bacteriën kleur kunnen registreren, heeft het team van Voigt ze aangepast door genen in te voegen die uitsluitend reageren op rood, groen of blauw licht. Wanneer geactiveerd door de relevante lichtkleur, geven deze genen signalen aan andere nieuw ingebrachte genen die vervolgens zichtbaar pigment van een identieke kleur produceren.
De onderzoekers groeiden de gemanipuleerde cellen om een bacteriële film te creëren die als een soort levende fotografische plaat dient. Wanneer een helder, kleurrijk beeld op deze kolonie schijnt, veranderen individuele cellen geleidelijk van kleur om overeen te komen met de kleur van het licht dat op de bacteriële film op hun specifieke locatie valt. Het duurt ongeveer acht uur voordat het lichtsignaal voldoende pigment heeft gegenereerd om een sterk beeld te maken.
Lichtend voorbeeld
Van een afstand gezien lijkt het uiteindelijke beeld op dat waarop de kolonie was gericht. blootgesteld.
De eerdere zwart-witversie van de technologie vereiste de toevoeging van slechts drie extra genen. Maar de kleurenversie vereist meer uitgebreide modificatie van E. coli: de toevoeging van 18 genen, ondersteund door circuits van zorgvuldig afgestemde genetische schakelaars om de sensorische gegevens door te voeren naar de pigmentproducerende genen.
Tricky uitdaging
Felice Frankel
Hoewel ze een pronkstuk zijn, demonstreren de kleurgevoelige microben het potentieel voor meer praktische toepassingen waarin bacteriële functies op afstand kunnen worden gemanipuleerd door ze bloot te stellen aan licht van bepaalde kleuren.
De aanpak zou bijvoorbeeld kunnen zorgen voor fijnere controle van de bacteriën die in fermentoren worden gekweekt om vitale medicijnen, antilichamen en materialen te produceren. Een andere toepassing zou het gebruik van licht kunnen zijn om levende biomaterialen te vormen, zoals weefsels en organen voor transplantatie.
Toegevoegde tinten
Het is spectaculair werk, zegt Manuel Porcar van het Instituut voor Integratieve Systeembiologie in Valencia, Spanje. “De definitie van de weergegeven afbeeldingen is verbluffend.”
Porcar zegt dat het in de toekomst mogelijk kan zijn om nog fijnere kleurdetails te genereren met extra sensoren en circuits die tussenliggende kleurnuances produceren. “Zo'n breder kleurenpalet zou de complexiteit van wat in feite een op licht gebaseerd communicatiesysteem met bacteriën is, drastisch vergroten”, zegt hij.
E. coli-bacteriën zijn van nature blind en zelfs de gewijzigde versies “zien” alleen in de meest rudimentaire zin. “Er zijn twee componenten nodig om te zien”, zegt Voigt. “De ene is om het licht te voelen en de tweede om het op de een of andere manier te interpreteren, dus op een basisniveau reageer je en bereken je vervolgens iets als reactie.”
Enkele cellen hebben duidelijk geen hersenen, zegt hij, maar ze gebruiken wel zintuiglijke signalen om voedsel te vinden of schadelijke omstandigheden te vermijden. “Op moleculair niveau 'denken' ze wel', zegt hij.
De levende beelden maken deel uit van een breder project om bacteriën uit te rusten met nieuwe mogelijkheden – zoals het afbreken van olielozingen – en om nieuwe genetische circuits die bugs in staat stellen om eenvoudige instructies van zintuiglijke stimuli te begrijpen en te gehoorzamen.
Sommige teams ontwikkelen zelfs bugs die kunnen “praten” over hun huidige toestand, of wetenschappers vertellen of ze andere zijn tegengekomen schadelijke organismen of toxines.
Verwijzing in tijdschrift: Nature Chemical Biologie, DOI: 10.1038/nchembio.2390
