Genetic code expansion enables plant-directed control of bacterial activity

Stel je een wereld voor waarin planten niet alleen stilstaand groen meubilair zijn, maar actieve beheerders met een geheime radiofrequentie waarop ze kunnen afstemmen om met de microscopische wereld om hen heen te praten. Dit is de grens van de synthetische biologie, een veld waar wetenschappers optreden als ingenieurs die de genetische code van levende wezens herbedraden om ze nieuwe dingen te laten doen. Meestal denken we dat planten en bacteriën een chaotische, vrije relatie hebben in de bodem. Maar wat als een plant een specifieke "wachtwoord" naar een specifieke bacterie kon sturen, zeggende: "Hé, jij! Zet nu je superkrachten aan, maar alleen als je mijn stem hoort"?

Om dit mogelijk te maken, gebruiken wetenschappers twee belangrijke trucs. Eerst gebruiken ze genetische code expansie. Denk aan de genetische code als het alfabet van het leven, waarbij drie letters (een codon) gewoon één specifiek aminozuur vormen, de bouwsteen van eiwitten. Wetenschappers hebben ontdekt hoe ze een "nieuwe letter" kunnen binnensluipen—een niet-canonieke aminozuur—die niet in de natuur voorkomt. Ze leren bacteriën om te stoppen met het lezen van het standaardalfabet en te wachten tot deze nieuwe letter verschijnt voordat ze een eiwit afmaken. Als de nieuwe letter er niet is, blijft het eiwit defect en nutteloos. Ten tweede hebben ze een manier nodig om deze nieuwe letter te leveren. In plaats van het uit een flesje te gieten, ontwerpen ze de plant zelf om de letter te produceren en deze als een geheim bericht in een flesje in de bodem te laten vallen. Dit artikel onderzoekt of we exact dit systeem kunnen bouwen: een plant die een chemisch wachtwoord schrijft, en een bacterie die pas haar gereedschappen ontgrendelt wanneer zij het wachtwoord leest.

Het geheime wachtwoord van de plant

In dit onderzoek probeerden onderzoekers een communicatielijn op te zetten tussen een plant en een bodembacterie met behulp van een chemische stof genaamd O-methyl-L-tyrosine (OMY). Je kunt OMY zien als een zeer specifieke, zeldzame sleutel die niet in de standaard sloten in de natuur past. Het doel was om te zien of een plant deze sleutel kon vervaardigen en aan een bacterie kon overhandigen, die deze vervolgens zou gebruiken om specifieke genen aan te zetten.

Eerst leerden de onderzoekers de bodembacterie Bacillus subtilis om naar deze sleutel te luisteren. Ze gaven de bacteriën een speciale set gereedschappen (een enzym en een transfer-RNA) die fungeren als een vertaler. Deze vertaler is geprogrammeerd om de bacteriële instructies te stoppen wanneer hij een "stopteken" (een amber-codon) ziet en te wachten tot de OMY-sleutel arriveert. Als OMY aanwezig is, voegt de vertaler de sleutel in, en voltooien de bacteriën de bouw van een eiwit. Als OMY ontbreekt, blijft het eiwit defect. Om dit te testen, zetten ze een lichtgevende reporter op. Wanneer de bacteriën het eiwit succesvol hadden gebouwd met behulp van OMY, gaven ze licht. De resultaten waren indrukwekkend: de bacteriën konden worden geactiveerd met een enorm verschil in helderheid—meer dan 3.000 keer helderder wanneer de sleutel aanwezig was vergeleken met wanneer deze afwezig was. Ze toonden zelfs aan dat dit systeem de productie van surfactine kon controleren, een stof die bacteriën gebruiken om te bewegen en met planten te interageren, wat bewees dat het echte biologische functies kon controleren, en niet alleen lampjes.

Vervolgens moesten de wetenschappers de planten de sleutel laten maken. Ze namen een gen van een schimmel die van nature OMY maakt en voegden dit in in drie verschillende soorten planten: een modelonkruid (Arabidopsis), een tomatplant en een populier. Ze ontdekten dat deze planten inderdaad OMY konden vervaardigen en dit via hun wortels in de bodem konden afgeven. Wanneer ze de OMY-producerende planten naast de gemodificeerde bacteriën groeiden, lichtten de bacteriën op als een kerstboom rond de wortels van de speciale planten. Als ze een normale plant naast de bacteriën groeiden, gebeurde er niets. Dit bewees dat de plant een signaal kon sturen dat alleen de specifieke, gemodificeerde bacteriën konden horen, waardoor een privékanaal tussen de twee soorten werd gecreëerd.

Er zat echter een addertje onder het gras. Wanneer de planten de hele tijd overal in hun lichaam OMY maakten, werden de planten ziek. Hun wortels groeiden korter, ze hadden moeite met recht naar beneden groeien (gravitropisme) en hun zaden ontkiemden minder goed. De onderzoekers onderzochten waarom dit gebeurde. Ze spraken de mogelijkheid uit dat de planten per ongeluk hun eigen OMY in hun eigen eiwitten stopten (wat zou zijn alsoos het gebruik van de verkeerde Lego-steentjes in een toren). Ze ontdekten ook dat het toevoegen van meer van de natuurlijke bouwstenen van de plant (zoals tyrosine) het probleem niet oploste. De toxiciteit leek een bijwerking te zijn van het hebben van te veel van deze chemische stof zwevend in de plantencellen, maar de exacte reden blijft een beetje een mysterie.

Om dit op te lossen, probeerde het team een slimmere aanpak: ze lieten de planten de sleutel alleen maken wanneer en waar ze dat nodig hadden. Ze gebruikten twee strategieën. Eerst vertelden ze de planten om de sleutel alleen in de uiterste punten van hun wortels (de wortelkapjes) te maken, waar de bacteriën leven. Ten tweede zorgden ze ervoor dat de productie van de sleutel alleen aanging wanneer ze de planten besprooiden met een specifiek hormoon (β-estradiol). Beide methoden werkten wonderbaarlijk. De planten groeiden perfect gezond en zagen er precies uit als normale planten, maar ze produceerden nog steeds genoeg OMY in de worteltips om de bacteriën wakker te maken. Wanneer ze de "on-demand" planten testten, lichtten de bacteriën sterk op wanneer de planten met het hormoon werden besproeid, wat de wetenschappers een afstandsbediening gaf voor bacteriële activiteit.

Ten slotte testte het team of dit systeem ook in de echte wereld werkte, en niet alleen in een petrischaal. Ze namen een wilde stam van Bacillus subtilis die bekend staat om het helpen van plantengroei en gaven deze dezelfde genetische code expansie-instrumenten. Ze plaatsten deze bacteriën in gesteriliseerde grond en groeiden de OMY-producerende planten daarin. De bacteriën in de bodem reageerden op het signaal van de plant, lichtten op en lieten zien dat de communicatie tussen plant en bacterie zelfs in een complexe bodemomgeving werkte. Ze pasten dit ook succesvol toe op tomaat- en populierplanten met een snelle transformatiemethode, wat aantoont dat deze technologie niet beperkt is tot slechts één type plant.

Kortom, dit artikel laat zien dat we planten kunnen modificeren om te fungeren als biologische afstandsbedieningen voor bacteriën. Door een niet-natuurlijke chemische stof als een geheim wachtwoord te gebruiken, kunnen planten specifieke bacteriën vertellen om hun gereedschappen pas aan te zetten wanneer de plant er klaar voor is. Hoewel de constante productie van deze chemische stof schadelijk kan zijn voor de plant, lieten de onderzoekers zien dat door de productie te beperken tot specifieke tijden of plaatsen, ze de planten gezond kunnen houden terwijl ze toch deze krachtige, precieze controle over de microbiële wereld behouden. Dit opent de deur naar een toekomst waarin gewassen in staat zouden kunnen zijn om nuttige bacteriën precies op te roepen wanneer ze dat nodig hebben, zonder te vertrouven op breedwerkende chemicaliën die schadelijk kunnen zijn voor het milieu.