หยิบยืมหน่วยการสร้างจากแบคทีเรียเพื่อสร้างอนาคตที่ยั่งยืนยิ่งขึ้น

ศูนย์แห่งใหม่นี้เรียกว่า Middle for Catalysis in Biomimetic Closure หรือ CCBC เป็นหนึ่งในศูนย์ 43 แห่งที่เพิ่งประกาศโดย DOE และแสดงถึงการลงทุนทั่วประเทศมูลค่า 400 ล้านดอลลาร์

เจนนิเฟอร์ เอ็ม. แกรนโฮล์ม รัฐมนตรีกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ กล่าวว่า “ศูนย์วิจัยพรมแดนด้านพลังงานของ DOE ซึ่งมีนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของโลกเป็นผู้นำ เป็นพลังแห่งนวัตกรรมที่ปลดล็อกความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์” จดหมายข่าว.

CCBC รวบรวมกลุ่มผู้เชี่ยวชาญจาก MSU, Berkeley Laboratory และ Argonne Nationwide Laboratory ด้วยสมาชิกจากสถาบันการศึกษาและห้องทดลองระดับชาติ ทีมจะใช้ประโยชน์จากประโยชน์พิเศษของทั้งสองสภาพแวดล้อม

“การทำงานในโครงการแบบนี้สนุกมาก ๆ คุณจะได้สิ่งที่ดีที่สุดจากทั้งสองโลก” เขากล่าว เอริค เฮกก์ผู้ร่วมสอบสวนกับ CCBC Hegg เป็นศาสตราจารย์และผู้ช่วยคณบดีด้านชีวเคมีและอณูชีววิทยา วิทยาลัยวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ.

ตัวอย่างเช่น ห้องปฏิบัติการระดับชาติมีเครื่องมือและเทคโนโลยีที่ไม่มีในมหาวิทยาลัยทั่วไป MSU – ในฐานะหนึ่งในมหาวิทยาลัยวิจัยชั้นนำของประเทศ – เป็นบ้านของนักศึกษาระดับปริญญาตรีและบัณฑิตที่เก่งที่สุดในโลก รวมถึงนักวิชาการหลังปริญญาเอก

“นักศึกษาและ postdocs รู้สึกตื่นเต้น สร้างสรรค์ และมีแรงบันดาลใจอย่างไม่น่าเชื่อ” Hegg กล่าว “การเป็นส่วนหนึ่งของศูนย์กลางที่สำคัญยังทำให้พวกเขาได้รับความรู้ในวงกว้าง ขยายขีดความสามารถ และสร้างการเชื่อมต่อ”

สภาพแวดล้อมการวิจัยทั้งสองแห่งมีนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำในหลากหลายสาขาวิชาที่นำชุดทักษะอันหลากหลายมาสู่ CCBC รวมถึงเอนไซม์วิทยา เคมีสังเคราะห์ การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ และชีววิทยาโครงสร้าง

“ทีมนี้เป็นกลุ่มนักวิจัยที่เข้มแข็งและมีประวัติการทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิผล” เคอร์เฟลด์กล่าว “ทั้งหมดเป็นมากกว่าผลรวมของส่วนต่างๆ”

สร้าง ‘โรงงานนาโน’ ที่ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

กระบวนการและวัสดุตามธรรมชาติที่ทีม CCBC พยายามเลียนแบบนั้นอยู่ในสิ่งที่เรียกว่าช่องย่อยของแบคทีเรีย

Cheryl Kerfeld จาก Michigan State College และเพื่อนร่วมงานมีส่วนสำคัญในการเปิดเผยรูปแบบและหน้าที่ของช่องย่อยแบคทีเรีย ภาพหน้าปกของวารสาร ACS Artificial Biology ฉบับปี 2019 นำเสนอผลงานบางส่วนของเขาที่แสดงภาพของเปลือกโปรตีนของช่องสังเคราะห์ พิมพ์ซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก ACS Synth ประวัติ 2019, 8, 4. ลิขสิทธิ์ 2019 American Chemical Society

นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นแคปซูลหลายเหลี่ยมขนาดเล็กเหล่านี้ในแบคทีเรียเป็นครั้งแรกเมื่อกว่า 60 ปีที่แล้ว อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้เองที่นักวิจัยอย่าง Kerfeld เริ่มเข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าช่องใส่ของขนาดเล็กมีความสำคัญ หลากหลาย และแพร่หลายเพียงใด

ไมโครคอมพาร์ทเมนต์หมายถึงแบคทีเรียซึ่งออร์แกเนลล์หมายถึงเซลล์ของมนุษย์ ช่องของแบคทีเรียมีหน้าที่ทางชีวเคมีบางอย่างในสภาพแวดล้อมที่แยกได้ผ่านเปลือกโปรตีนที่ห่อหุ้มเอ็นไซม์

เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของชีววิทยา หากเคมีเป็นสายการประกอบ ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเป็นเครื่องจักรต่างๆ ที่เปลี่ยนชิ้นส่วนเป็นผลิตภัณฑ์

โดยการบรรจุเอนไซม์ลงในช่อง แบคทีเรียสามารถสะสมและทำให้สารตั้งต้นที่ใช้โดยตัวเร่งปฏิกิริยาเข้มข้น ทำให้ปฏิกิริยาทางชีวเคมีมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ฝักยังช่วยป้องกันเอ็นไซม์ที่ห่อหุ้มจากสารประกอบที่อาจขัดขวางการทำงานของพวกมัน พ็อดยังสามารถปกป้องเซลล์แบคทีเรียได้ด้วยการรักษาตัวกลางที่เป็นอันตรายให้อยู่ภายในขอบเขตของมันจนกว่าจะหายขาด

แบคทีเรียได้วิวัฒนาการเพื่อแบ่งปฏิกิริยาที่เป็นประโยชน์จำนวนนับไม่ถ้วนโดยการปิดล้อมเอนไซม์ต่างๆ ไว้ในไมโครคอมพาร์ทเมนต์

Kerfeld กล่าวว่า “เราได้เรียนรู้ว่ารูปแบบเฉพาะของการแบ่งส่วนนี้เป็นเรื่องปกติธรรมดาในหมู่แบคทีเรีย “สิ่งที่น่ายินดีอย่างยิ่งคือแบคทีเรียต่างชนิดกันใช้หลักการและโครงสร้างเดียวกันโดยพื้นฐานในการประกอบเปลือกที่มีสถาปัตยกรรมคล้ายกัน แต่ใช้งานภายในของพวกมันต่างกันด้วยเอนไซม์ที่แตกต่างกัน ซึ่งหมายถึงการสร้างเปลือกของโรงงานนาโนสำเร็จรูปที่มีชุดส่วนประกอบพื้นฐานชุดเดียวกัน” แสดงให้เห็นว่าเราสามารถใช้มันเพื่อสร้างเครื่องเร่งปฏิกิริยาที่เราเลือกแล้วปรับแต่งการผลิตได้”

“สิ่งที่ฉันคิดว่าดีเกี่ยวกับไมโครพาร์ติชันคือมันเป็นตัวอย่างของความเป็นโมดูลโดยธรรมชาติ” เขากล่าว แดนนี่ ดูแคทรองศาสตราจารย์ด้านชีวเคมีและอณูชีววิทยาที่ MSU และนักวิจัย CCBC เขาศึกษาไซยาโนแบคทีเรีย จุลินทรีย์ที่ใช้ช่องขนาดเล็กเพื่อช่วยในการสังเคราะห์แสง ซึ่งเป็นหนึ่งในกระบวนการที่สำคัญที่สุดของชีวิต

ทรงกลมแต่ละอันซึ่งเน้นด้วยสีเขียวมะนาวคือเปลือกไมโครแชมเบอร์ของแบคทีเรีย เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องพิเศษเหล่านี้อยู่ที่ประมาณ 40 นาโนเมตร หรือประมาณหนึ่งในพันของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ เครดิต: Kerfeld Lab/PNAS

Ducat กล่าวว่า “เมื่อเวลาผ่านไปแบคทีเรียวิวัฒนาการเอาเปลือกเหล่านี้และใส่เอนไซม์ใหม่เพื่อนำห้องกลับมาใช้ใหม่” Ducat กล่าว “เราปฏิบัติตามหลักการออกแบบของธรรมชาติและพูดว่า ‘เราจะวางสิ่งที่เราต้องการไว้ที่นั่นได้อย่างไร’ เราถาม”

ที่ CCBC นักวิจัยจะศึกษาวิธีที่แบคทีเรียสร้างห้องเหล่านี้ เพิ่มเอนไซม์โดยการออกแบบ และสำรวจว่าส่วนประกอบทั้งหมดทำงานอย่างไร จากนั้นนักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ความรู้นี้เพื่อพัฒนาแนวทางใหม่ๆ สำหรับปฏิกิริยาที่จะช่วยผลิตเชื้อเพลิง ปุ๋ย และผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นอื่นๆ ได้อย่างยั่งยืน

Kerfeld กล่าวว่านี่เป็นความต่อเนื่องของสิ่งที่มนุษย์ทำมาตั้งแต่ยุคแรก ๆ นั่นคือการนำสิ่งที่ธรรมชาติมอบให้และนำกลับมาใช้ใหม่

“ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือวิธีที่ผู้คนใช้หินก่อน จากนั้นจึงใช้ต้นไม้ – ไม้ – เพื่อสร้างบ้าน” เขากล่าว “CCBC ใช้การขับเคลื่อนและความเฉลียวฉลาดแบบเดียวกัน แต่ตอนนี้เราใช้วัสดุชีวภาพที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า และแม้แต่สร้างส่วนประกอบที่ไม่ใช่ชีวภาพ โรงงานเซลล์ย่อย และหนึ่งเพื่อดำเนินการโรงงานเหล่านี้นอกเซลล์”

‘ความสนใจร่วมกันและความเชี่ยวชาญเสริม’

การสร้างโรงงานขนาดเล็กมากเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในหลายๆ แง่มุม และเพื่อให้เผชิญหน้าได้ CCBC ได้รวบรวมทีมงานจำนวนมากที่มีความสามารถหลากหลายซึ่งขับเคลื่อนโดยความร่วมมือที่มีอยู่

“จุดแข็งประการหนึ่งของเราคือ พวกเราส่วนใหญ่เคยทำงานร่วมกันมาก่อน” เคอร์เฟลด์กล่าว “ที่นี่มีครอบครัวประเภทหนึ่งที่มีค่านิยมร่วมกันอยู่แล้ว”

ตัวอย่างเช่น Kerfeld และ Ducat เป็นคณาจารย์หลักของห้องปฏิบัติการวิจัยพืช MSU-DOE แบบสหสาขาวิชาชีพ จอช เวอร์มาสผู้ช่วยศาสตราจารย์ภาควิชาชีวเคมีและอณูชีววิทยา

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติในสหรัฐอเมริกามีสิ่งอำนวยความสะดวกระดับโลก เช่น Superior Photon Supply ซึ่งจัดแสดงที่ Argonne และเป็นที่ตั้งของเทคโนโลยีล้ำสมัยและผู้เชี่ยวชาญที่รู้วิธีใช้งาน เครดิต: Argonne Nationwide Laboratory

Vermaas และทีมของเขาจะใช้ทักษะการคำนวณเพื่อจำลองการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเข้าและออกจากไมโครคอมพาร์ทเมนท์ กลุ่มวิจัยด้านการคำนวณอีกกลุ่มที่ MSU นำโดย ศาสตราจารย์ไมเคิล ฟิกจะจำลองปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุลภายในพื้นที่แออัดของไมโครคอมพาร์ทเมนท์

Vermaas กล่าวว่าการที่สมาคมคอมพิวเตอร์นี้ทำงานโดยตรงกับนักวิจัยที่ทำการทดลองสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของศูนย์ได้

Vermaas กล่าวว่า “การทดลองบางอย่างทำได้ยาก แต่เราสามารถสร้างแบบจำลองที่แสดงให้เราเห็นได้อย่างมีประสิทธิภาพจริงๆ ว่าวัตถุเคลื่อนที่อย่างไร” “การสร้างแบบจำลองอาจเป็นวิธีที่ถูกกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่าในการหาคำตอบ”

การสร้างแบบจำลองและการจำลองยังช่วยให้นักวิจัยสามารถทดสอบแนวคิดของตนก่อนทำการทดลอง ช่วยให้ผู้ทดลองจำกัดการมุ่งเน้นไปยังแนวทางที่มีแนวโน้มมากที่สุด

Vermaas กล่าวว่า “ฉันคิดว่ามันจะเป็นตัวอย่างที่ดีจริงๆ ว่าการจำลองระดับโมเลกุลสามารถจำกัดความเป็นไปได้ได้อย่างไร

ยังเข้าร่วมกลุ่ม MSU ของผู้ร่วมให้ข้อมูล CCBC มิเคล่า เทอร์อาเวสท์รองศาสตราจารย์ด้านชีวเคมีและอณูชีววิทยา; โรเบิร์ต เฮาซิงเกอร์ศาสตราจารย์เกียรติคุณของมหาวิทยาลัย ภาควิชาจุลชีววิทยาและอณูพันธุศาสตร์; และ มาร์คุส ซัตเตอร์เขาเป็นผู้เชี่ยวชาญที่ MSU-DOE Plant Analysis Laboratory และเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ Berkeley Laboratory

Molecular Foundry ที่ Berkeley Lab เป็นหนึ่งในศูนย์วิจัยนาโนศาสตร์ชั้นนำของโลก เครดิต: ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley

CCBC ยังขยายออกไปนอกขอบเขตของวิทยาเขต MSU รวมถึงสมาชิกที่ Berkeley Lab และ Argonne

นักวิจัยของ Argonne ได้แก่ นักเคมี Lisa Utschig และ Karen Mulfort นักเคมีอาวุโส Oleg Poluektov และหัวหน้ากลุ่มและเพื่อนที่มีชื่อเสียง David Tiede Corie Ralston และ Paul Ashby เจ้าหน้าที่นักวิทยาศาสตร์ของ Berkeley Lab’s Molecular Foundry ก็เข้าร่วมทีม CCBC เช่นกัน

“Cheryl และฉันได้สื่อสารเกี่ยวกับลักษณะทางกายภาพของแบคทีเรียไมโครคอมพาร์ทเมนต์มาเป็นเวลาหลายปี” Tiede of Argonne กล่าว “เนื่องจากความสนใจร่วมกันและความเชี่ยวชาญที่เสริมกัน จึงเป็นเรื่องปกติที่เราจะทำงานร่วมกันในเรื่องนี้”

Tiede และทีมงานของเขาเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องมือล้ำสมัยของ Argonne สำหรับการระบุคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุ

“หนึ่งในความท้าทายด้านพลังงานที่ใหญ่ที่สุดคือวัสดุวิศวกรรมที่เลียนแบบธรรมชาติ” Tiede กล่าว “เราสามารถรับมือกับความท้าทายนี้ได้โดยใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะเฉพาะของห้องปฏิบัติการระดับชาติ ขณะเดียวกัน เราสามารถสร้างสภาพแวดล้อมที่เชื่อมโยงกันมากขึ้นและสร้างสรรค์มากขึ้นด้วยการมีสถาบันหลายแห่งและนักวิจัยหลายคน”

“ห้องทดลองระดับชาติมีนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทำงานร่วมกันทั้งในด้านวิทยาศาสตร์พื้นฐานและการใช้งานจริง และมีสิ่งอำนวยความสะดวกขนาดใหญ่” Ralston จาก Berkeley Lab ซึ่งเป็นผู้อำนวยการ Organic Nanostructures Facility ที่ Molecular Foundry กล่าว

“นำสิ่งนี้มารวมกับนักวิทยาศาสตร์เชิงวิชาการที่มักจะมุ่งเน้นไปที่วิทยาศาสตร์พื้นฐานพื้นฐาน และคุณมีความเชี่ยวชาญที่เข้ากันอย่างลงตัวกับเครื่องมือทั้งหมดที่คุณต้องการเพื่อสร้างวิทยาศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมให้เป็นไปได้” ราลสตันกล่าว