Membangun desain biosistem yang aman dan kokoh untuk mikroorganisme lingkungan

Membangun desain biosistem yang aman dan kokoh untuk mikroorganisme lingkungan


Newswise – Untuk mengurangi risiko konsekuensi ekologis yang tidak diinginkan dari mikroorganisme rekayasa genetika yang digunakan secara lingkungan (GEMS), ilmuwan dan kolaborator Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sedang mengembangkan “mekanisme keamanan” bawaan yang memastikan mereka berfungsi di mana dan saat diperlukan.

Tim berharap dapat menstabilkan GEM untuk mencegah transfer “sifat invasif” yang berpotensi ke mikroorganisme asli tetangga dan untuk mengontrol fungsi khusus khusus GEM untuk aplikasi lingkungan yang lebih aman dan efektif.

LLNL dan mitranya menerima $ 9 juta dari Kantor Departemen Sains, program Penelitian Biologi dan Lingkungan (BER) Departemen Energi untuk memulai Area Fokus Sains (SFA) baru sebagai bagian dari Program Desain Biosistem Aman BER.

Strategi penahanan berlapis-lapis akan membantu menjaga penyebaran mikroba yang direkayasa di rhizosfer (wilayah sempit tanah yang secara langsung dipengaruhi oleh sekresi akar dan mikroorganisme tanah terkait yang dikenal sebagai mikrobioma akar).

“Desain kami akan memberikan basis pengetahuan yang diperlukan untuk memungkinkan penggunaan GEM yang lebih aman dalam aplikasi yang berbeda seperti probiotik tanaman, penyerapan karbon, pemulihan logam kritis, deteksi aktivitas nuklir dan produksi biomaterial,” kata ahli mikrobiologi lingkungan LLNL dan peneliti utama utama, Yongqin Jiao.

Kebutuhan biocontainment sangat relevan untuk bioteknologi lingkungan untuk pengembangan berkelanjutan tanaman bioenergi dan sekuestrasi karbon. Mikrobiota yang menjajah rizosfer akar tanaman, terutama mikroorganisme pemetik manfaat tanaman (PBM), berkontribusi pada pertumbuhan tanaman dan memodulasi masukan, pelepasan, dan penyimpanan karbon tanah. Pendekatan rekayasa genetika telah digunakan untuk meningkatkan sifat menguntungkan dari PBM, seperti perolehan hara dan ketahanan terhadap kekeringan,

“Karena operasi ini dapat melibatkan aplikasi lapangan berskala besar yang disengaja, ada kebutuhan yang kuat untuk memahami dan mencegah konsekuensi ekologi negatif potensial terkait dengan persistensi GEM di tanah dan rhizosfer,” kata Jiao.

“Kebugaran adalah pertimbangan penting dalam pengembangan mekanisme biocontainment,” kata Dan Park dari LLNL, seorang penyelidik pembantu. “Untuk fungsi lingkungan yang kuat, kami memerlukan desain biocontainment yang sederhana namun efektif dengan beban metabolisme minimal atau toksisitas latar belakang,”

Strategi penahanan berlapis pada tingkat urutan, seluler dan populasi diharapkan dapat meningkatkan ketahanan sistem secara keseluruhan terhadap fluktuasi lingkungan.

“Kami percaya bahwa koordinasi populasi di antara mikroba yang direkayasa juga dapat dimanfaatkan sebagai strategi desain baru untuk penahanan,” kata Mimi Yung dari LLNL, salah satu peneliti utama. “Memanfaatkan sistem pensinyalan bakteri asli untuk mengendalikan perilaku kolektif berpotensi untuk meningkatkan daya tanggap sistem baik secara temporal maupun spasial.” Perilaku ini sangat bermanfaat dalam lingkungan rhizosfer yang heterogen di mana gradien kimiawi besar hadir dalam skala fisik kecil.

Memanfaatkan komputasi kinerja tinggi (HPC) LLNL dan kemampuan pengeditan gen throughput tinggi, tim akan memajukan strategi keterikatan gen sintetis untuk penahanan. Dua gen dikodekan dalam ruang urutan yang sama untuk melindungi fungsi yang direkayasa terhadap penonaktifan mutasional atau untuk mengurangi transfer horizontal dari sifat yang berpotensi invasif.

“Ini adalah kesempatan yang menarik untuk menerapkan pembelajaran mesin pada desain urutan baru yang tidak hanya meningkatkan kesesuaian dan fungsi gen tetapi juga stabilitas evolusionernya,” kata Jonathan Allen dari LLNL, salah satu peneliti utama. “Pekerjaan ini memanfaatkan kemampuan pembelajaran mesin kami yang ada yang ditetapkan di bawah Prakarsa Biologi Prediktif Direktur melalui program seperti ATOM dan memposisikan kami untuk berkontribusi pada area penelitian baru desain gen ini.”

Tim akan memanfaatkan LLNL Soil Microbiome SFA yang dipimpin oleh Jennifer Pett-Ridge dan pengalaman yang kaya dalam ekologi mikroba tanah untuk menguji keefektifan dan mengevaluasi konsekuensi ekologi dari desain bendungan di lingkungan tanah dan rizosfer.

Ilmuwan LLNL Jeffrey Kimbrel, Ali Navid, Adam Zemla dan Matthew Coleman juga berkontribusi pada pekerjaan ini serta peneliti dari Universitas Columbia, Universitas Maryland, Universitas Minnesota dan Universitas California, Berkeley.


Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author