שלפוחיות גז הן מבנים חלולים העשויים מחלבון המצוי בתאים של מיקרואורגניזמים מסוימים, וחוקרים מאוניברסיטת רייס מאמינים שניתן לתכנת אותם לשימוש ביישומים ביו-רפואיים.
בתוך תאים, שלפוחיות גז ארוזות בתבנית חלת דבש יפה. כיצד נוצר דפוס זה מעולם לא הובנה לעומק. אנו מציגים את הזיהוי הראשון של חלבון שיכול לווסת את הדפוס הזה, ואנו מאמינים שזה יהיה אבן דרך במיקרוביולוגיה מולקולרית".
ג'ורג' לו, עוזר פרופסור לביו-הנדסה וחוקר במכון למניעת סרטן ומחקר בטקסס
לו ועמיתיו פרסמו את ממצאיהם במאמר שפורסם ב מיקרוביולוגיה של הטבע. המחבר הראשי הוא זונגרו לי, דוקטורנט שנה רביעית להנדסה ביו במעבדה של לו להרכבות מקרומולקולריות סינתטיות.
"שלפוחיות גז הן צינורות גליליים הסגורים על ידי פקקים חרוטיים", אמר לי. "הם מספקים ציפה בתוך התאים של המארחים המקומיים שלהם."
השלפוחיות נמצאות באופן טבעי בחמש פילות של חיידקים ובשתי קבוצות של הארכאה (אורגניזמים חד-תאיים). רובם מוגבלים למיקרואורגניזמים פלנקטוניים המצויים לרוב בבריכות מים מתוקים. ההנדסה האחרונה של שלפוחיות הובילה למספר יישומים, כולל הדמיית גנים מדווחים, בקרה אקוסטית ואספקת מטען.
מחבר שותף יפאן דאי, עוזר פרופסור להנדסה ביו-רפואית בבית הספר להנדסה מק'קלווי באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, אמר שהם נמשכו למחקר עם השאלה מדוע השלפוחיות יכולות להיווצר בתבנית חלת הדבש.
בעזרת עמיתו ל-WashU, אלכס הולהאוס, ועמיתיו מאוניברסיטת דיוק, אשוטוש צ'ילקוטי ו-Lingchong You, צוות החוקרים מצא שדפוס זה הוא השימוש היעיל ביותר בחלל, וצורת האשכול משחקת חלק באופן תפקודו. במיוחד, צבירי חלבונים אלו נוצרו בתמיסה תת-רוויה, צורה חדשה שזוהתה בעבר של מבנה ביולוגי, ומניעה את הארגון של שלפוחיות אלו. בשורה התחתונה, הם מצאו את הפונקציה מאחורי הצורה החדשה והמסתורית הזו.
"צוותים אלה בראשות מעבדת Lu גילו שצורה ייחודית של צבירי חלבון המורכבים באופן בלעדי בתמיסה תת-רוויה מניעה את התנהגויות הקיבוץ," אמר דאי. זה מוסיף לשורת הראיות לגבי האופן שבו מעבר פאזה משפיע על הארגון הסלולרי ותפקודים הסלולריים, הוא הוסיף.
לו והצוות שלו, תוך שימוש בגישות גנטיות, ביוכימיות והדמיה, בוחנים את הננו-מבנים של החלבון. שלפוחיות גז מייצבות את בועות האוויר בתוך הציטוזול החיידקי ⎯ את הנוזלים בתוך התאים ⎯ ומספקות ממשק נוזל-גז שניתן להשתמש בו לניגודיות אולטרסאונד או MRI.
"במעבדה שלנו, אנו ממנפים את כוחה של ביולוגיה סינתטית כדי להרחיב את היישומים של ננו-מבנים חלבוניים אלה", אמר לי. "על ידי הנדסת גנים ותאים, אנו שואפים לבנות שלפוחיות גז שמתפקדות אפילו יותר ביעילות ביישומים ביוטכנולוגיים וביו-רפואיים."
לי סיים את התואר הראשון שלו בהנדסה כימית מאוניברסיטת רוצ'סטר ב-2018 ואת התואר השני שלו בביוטכנולוגיה מאוניברסיטת נורת'ווסטרן ב-2020.
מחברי המאמר הם אנדרו אנדרסון, מנואל איבורג, Qionghua Shen, חוקרים פוסט-דוקטורט ב-BIOE ברייס; Richard Lin '23 BIOE, אנליסט פתרונות ברי קיימא וחדשנות, NRG; ברנדון צימר '23 BIOE; מתיו מאייר, מדען מחקר במיקרוסקופ אלקטרוני אורז; יפאן דאי ואלכס הולהאוס, עוזרי פרופסורים להנדסה ביו-רפואית ב-WashU; לינגצ'ונג יו, ג'יימס ל. מריאם פרופסור מכובד להנדסה ביו-רפואית ב-Duke; אשוטוש צ'ילקוטי, הפרופסור המובהק של אלן ל. קגנוב להנדסה ביו-רפואית ב-Duke; ואמרי אושר, חוקר פוסט-דוקטורט בביוכימיה וביולוגיה מולקולרית ב-WashU.
המחקר נתמך על ידי המכון למניעת סרטן ומחקר של טקסס, המכון הלאומי לבריאות (R00 EB024600, R21 EB033607), קרן וולץ', קרן ג'י הרולד וליילה י מאתרס, קרן לבריאות השמיעה, קרן ג'ון ס. דאן , קרן המחקר הגרמנית, קרן WM Keck, המכון למדעי ביו וביו-הנדסה ברייס והמשרד למחקר מדעי של חיל האוויר (FA9550-20-1-0241).
