ГМ-бактерии заставили красить джинсы
Исследователи разработали экологичный способ окрашивания ткани в синий цвет красителем индиго. В качестве замены «грязному» химическому синтезу индиго ученые предложили биотехнологический процесс с участием генномодифицированных бактерий, синтезирующих предшественник красителя и фермент, расщепляющий его с образованием индиго. Работа, описывающая создание модифицированных бактерий и тестовое окрашивание предмета одежды, опубликована в Nature Chemical Biology, кратко о ней рассказывает Nature.
Несмотря на то, что в текстильной промышленности в настоящее время используется множество красителей, дающих синий оттенок, индиго до сих пор незаменим в производстве денима. В 2011 году в мире было произведено 50 тысяч тонн индиго, 95 процентов которого было использовано для окрашивания четырех миллиардов единиц джинсовой одежды.
Сам по себе индиго нерастворим в воде, поэтому в процессе окрашивания его переводят в бесцветную растворимую форму (лейкоиндиго) путем восстановления. После окрашивания ткани краситель, осевший на волокнах, обратно окисляется кислородом воздуха, в результате чего ткань приобретает синий цвет.
Индиго традиционно получали из растений, таких как индигофера и вайда красильная, но в XX веке был разработан способ химического синтеза красителя. Как промышленный способ получения вещества, так и процесс окрашивания ткани сопряжены с загрязнением окружающей среды из-за применяемых токсичных веществ, таких как формальдегид и дитионит натрия, который используется для восстановления индиго.
Чтобы заменить «грязные» процессы химического синтеза индиго и окрашивания ткани на более экологичные, исследователи с факультета биоинженерии университета Калифорнии в Беркли восстановили путь синтеза красителя из растений в бактериях.
В листьях горца красильного (Polygonum tinctorium, «японский индиго») предшественник индиго - индоксил соединяется с молекулой глюкозы, которая защищает тот от окисления и образует с индоксилом бесцветный индикан. Индикан растворим в воде и устойчив к широкому спектру условий среды, поэтому хорошо подходит для применения в текстильной промышленности. После отщепления глюкозы ферментом β-глюкозидазой вещество окисляется и синеет. Использование индикана, полученного биотехнологическим путем, не требует этапа химического восстановления, поэтому такое производство куда более экологично.
В клетках кишечной палочки E.coli биоинженеры «собрали» путь синтеза индикана из аминокислоты триптофана путем экспрессии всего двух генов. Один из них, из морской бактерии, кодировал фермент, превращающий метаболит триптофана в индоксил, а второй, из горца красильного – фермент, навешивающий на индоксил молекулу глюкозы. Кроме того, у бактерий-продуцентов удалили собственный ген β-глюкозидазы, расщепляющей индикан. «Укомплектованные» бактерии синтезировали индикан и выделяли его в ростовую среду.
На последнем этапе эксперимента исследователи использовали свою технологию для того, чтобы окрасить джинсовую ткань и хлопковый шарф. Ученые вырастили несколько литров культуры модифицированной кишечной палочки, удалили оттуда клетки и использовали в качестве красителя непосредственно оставшуюся среду без всякой дополнительной очистки. Образцы ткани обрабатывали индиканом, а затем неочищенным раствором β-глюкозидазы, также полученной в лаборатории путем экспрессии в бактериях. После выдерживания на воздухе ткани приобрели синий цвет, а шарф выдержал стирку в стиральной машине практически без потери интенсивности цвета.
Несмотря на преимущества биотехнологического процесса с точки зрения экологии, у него есть и существенный недостаток – высокая, по сравнению с химическим синтезом, себестоимость. Однако авторы работы рассчитывают, что в ближайшие годы производство ферментов значительно подешевеет, что сделает их технологию пригодной для коммерциализации.
Ранее мы рассказывали, как ученые придали хлопку для производства одежды нужные свойства путем выращивания растений на среде с химически модифицированной глюкозой.
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.