E. coli Bakterileri, Karbondioksit Yiyebilecek Şekilde Yeniden Tasarlandı!

Araştırmacılar, şekerler ve diğer organik moleküller yerine, karbondioksit (CO₂) tüketerek büyüyen bir Escherichia Coli (E. coli) bakterisi suşu (İng: "strain") yarattılar. Bu başarı, biyolojinin en yaygın kullanılan model organizmasının iç yapısını büyük ölçüde değiştirdiği için, biyoyakıt ya da gıda üretebilen E. coli’lere kavuşmamızda büyük bir adım. Bu E. coli’lerden üretilecek olan ürünlerin günümüzdeki sanayi ürünlerinin oluşumundan daha az gaz salınımına (İng: "emission") sebep olmasıyla birlikte, karbondioksidi atmosferden tamamen yok etmesi çok olası. Max Planck Karasal Mikrobiyoloji Enstitüsünde çalışan, Tobias Erb isimli bir biyokimyacı ve sentetik biyoloğu, bu çalışmalara dahil olmayan biri olarak, bunu “metabolik bir kalp nakli gibi” olarak tanımlıyor.

Bitkiler ve fotosentetik siyanobakteriler (oksijen üreten sucul mikroplar) ışıklardan aldıkları enerjiyi DNA, yağlar ve proteinler gibi yaşam için gerekli olan karbon bazlı yapı taşlarına iliştirmekte kullanıyorlar. Fakat bunlar gibi organizmaların genetik modifikasyonunu gerçekleştirmek çok zor olduğundan, “biyolojik fabrika” üretiminin yavaşlamasına sebep oldular. Bu iki canlıya kıyasla, E. coli’lerin modifikasyonunu gerçekleştirmek çok daha kolay ve organizma hızlı büyüdüğünden, yapılan değişiklikler çok hızlı bir şekilde test edilip optimizasyon için gerekli değişikliklerin yapılmasına olanak sağlıyor. Fakat bu bakteri glukoz gibi şeker molekülleri tüketmeyi tercih ediyor ve karbondioksidi tüketmektense, atık olarak atmosfere salıyor.

İsrail’deki Weizmann Bilim Enstitüsünde çalışan bir sistemler biyoloğu olan Ron Milo ve ekibi son 10 yılı E. coli bakterilerinin beslenme şekillerini elden geçirmeye harcadı. 2016 yılında, karbondioksit tüketimi gerçekleştiren bir suş üretmekte başarılı oldular. Tek sıkıntı, normal E. coli bakterilerinin karbon ihtiyacını karşılayamamalarıydı; bu eksiği ise, piruvat isimli bir organik bileşik kullanarak telafi etmek zorunda kaldılar.

Gaz Diyeti

Son çalışmalarında, Milo ve ekibi, genetik mühendislik ve laboratuvarda yapılan evrimi kullanarak bütün karbon ihtiyacını karbondioksitten karşılayabilen bir E. coli bakteri suşu ürettiler. İlk olarak, bakteriye fotosentetik organizmaların karbondioksidi organik karbona dönüştürmelerini sağlayan enzimlerin kodunu taşıyan genler eklediler. Bitkiler ve siyanobakteriler fotosentezi ışık aracılığıyla gerçekleştirebiliyorlar fakat E. coli’nin bunu yapmasını sağlayacak klorofili ya da kloroplast organeli yok. Bunu göze alarak, Milo’nun ekibi, “format” isimli bir organik molekülden enerji üretmesini sağlayacak bir gen eklediler.

Yapılan bu eklemelere rağmen bakteri, karbondioksidi ana besin kaynağı olarak kabul etmeyi reddetti. Bu sebeple, araştırmacılar ellerindeki suşa ince ayarlar yapıp daha farklı jenerasyonlar elde etmek adına, çok az miktarlarda şeker ve karbondioksit verdiler. Verdikleri miktar, dünyanın atmosferinde bulunanın 250 katına tekabül ediyordu. Bakterilerin onları soktukları bu koşullar altında yeni beslenme şekline adapte olmalarını umut ettiler ve yaklaşık 200 gün sonra, karbondioksidi tek besin kaynakları olarak kullanıp yaşayabilen suşlar ortaya çıktı. 300 gün sonra ise bu yeni, karbondiokside adapte olmuş bakteriler bir önceki jenerasyondan daha hızlı büyür oldu.

Elde ettikleri karbondioksit tüketen (ototrof) E. coli suşları şeker tüketerek de büyüyebiliyorlar; ancak hâlâ şekeri karbondiokside tercih etme eğilimindeler. Normal bir E. coli ortalama her 20 dakikada bir eşeysiz üreme gerçekleştirebiliyor. Fakat bu elde ettikleri ototrof E. coli %10 CO₂ içeren bir atmosferde ancak her 18 saatte bir eşeysiz üreme gerçekleştirebiliyordu. Günümüz atmosferinde, konsantrasyonu %0.041 olan karbondioksitle geçinemiyorlar ve şekere muhtaçlar.

Milo ve ekibi, bakterilerinin üreme hızını artırıp daha düşük karbondioksit seviyelerinde verimli bir şekilde yaşayabilmelerini sağlamayı umut ediyorlar. Aynı zamanda, elde ettikleri E. coli’lerin karbondioksit tüketimine doğru giden evrimlerini anlamaya çalışıyorlar. 11 gendeki değişikliğin bu evrimi tetiklemeye yettiği görülüyor fakat tam olarak nasıl tetikledikleri hâlâ bilinmiyor. Michigan Eyalet Üniversitesi’nde ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda biyomühendis Cheryl Kerfeld şöyle diyor:

Bu çalışma, kaynak mühendisliği bakış açısı ve evrimin bir araya gelmesiyle tanık olunan doğal süreçlerdeki gelişmeyi göstermesiyle tam bir kilometre taşı.

E. coli, insülin ve büyüme hormonu gibi yararlı kimyasalların sentetik versiyonlarının yapılmasında kullanılmaya başlandı bile. Milo’nun dediğine göre, ekibinin yürüttüğü çalışma sayesinde, uzak da olsa, gelecekte E. Coli’nin üretim sektöründeki kullanımları genişleyebilir. Örneğin gelecekte, yenilenebilir yakıt, gıda ve başka bir sürü madde üretebilen E. Coli’lerle karşı karşıya olabiliriz.