اوایل امسال، یک روش جدید و خارق‌العاده برای استفاده از پلاستیک‌های زائد، خبرساز شد.
یک باکتری رایج به صورت ژنتیکی مهندسی شد تا یک مولکول مشتق‌شده از پلاستیک را بخورد و سپس آن را هضم کند تا مسکن روزمره، پاراستامول، را تولید کند.
میکروب مورد استفاده استیون والاس، استاد بیوتکنولوژی شیمیایی در دانشگاه ادینبورگ، اشریشیا کلی بود که بیشتر با نام E. coli شناخته می‌شود.
این باکتری میله‌ای شکل در روده انسان‌ها و حیوانات یافت می‌شود و ممکن است شما با آن به عنوان یک باکتری ناخوشایند که می‌تواند ما را بیمار کند، بیشتر آشنا باشید.
پروفسور والاس به طور خودکار آن را انتخاب کرد زیرا گونه‌های خاصی از E. coli که بیماری‌زا نیستند، به طور گسترده در آزمایشگاه‌های بیوتکنولوژی و زیست‌شناسی مهندسی برای آزمایش اینکه آیا چیزی ممکن است مؤثر باشد، استفاده می‌شوند.
پروفسور والاس می‌گوید E. coli "اسب بارکش" اصلی این حوزه است، که آن را در آزمایشگاه نیز به صورت ژنتیکی مهندسی کرده است تا زباله‌های پلاستیکی را به طعم وانیل و زباله‌های فتبرگ از فاضلاب را به عطر تبدیل کند.
او می‌گوید: «اگر می‌خواهید ثابت کنید که چیزی با زیست‌شناسی امکان‌پذیر است، E.coli یک مرحله اولیه طبیعی است.»
استفاده از این میکروب فقط به آزمایشگاه محدود نمی‌شود. در صنعت، مخازن E.coli مهندسی ژنتیک شده مانند کارخانه‌های زنده عمل می‌کنند و انواع محصولات را از داروهایی مانند انسولین که برای مدیریت دیابت حیاتی هستند گرفته تا مواد شیمیایی پلتفرم‌های مختلف که برای ساخت سوخت‌ها و حلال‌ها استفاده می‌شوند، تولید می‌کنند.
اما چگونه E. coli به چنین نقطه اتکایی در بیوتکنولوژی تبدیل شد، چرا اینقدر مفید است و آینده آن چه می‌تواند باشد؟
توماس سیلهاوی، استاد زیست‌شناس مولکولی در دانشگاه پرینستون، که حدود ۵۰ سال است روی این باکتری مطالعه می‌کند و تاریخچه آن را مستند کرده است، می‌گوید: تسلط E. coli ناشی از نقش آن به عنوان یک ارگانیسم مدل برای درک اصول کلی بیولوژیکی است.
از دیگر ارگانیسم‌های مدل آشنا می‌توان به موش، مگس میوه و مخمر نانوایی اشاره کرد. مخمر، مانند E. coli، نیز به ابزاری ارزشمند در بیوتکنولوژی، چه در آزمایشگاه و چه در صنعت، تبدیل شده است - اما ساختار سلولی پیچیده‌تری دارد و کاربردهای متفاوتی دارد.
E. coli اولین بار در سال ۱۸۸۵ توسط یک متخصص اطفال آلمانی، تئودور اشریش، که در حال مطالعه میکروب‌های روده نوزادان بود، جداسازی شد. دانشمندان با رشد سریع و سهولت کار با آن، شروع به استفاده از آن برای مطالعه زیست‌شناسی پایه باکتریایی کردند.
پروفسور سیلهاوی می‌گوید، سپس در دهه ۱۹۴۰، «اتفاقی» آن را به اوج رساند.
از یک سویه غیربیماری‌زای E. coli (K-12) برای نشان دادن اینکه باکتری‌ها نه تنها تقسیم می‌شوند، بلکه می‌توانند تحت «رابطه جنسی باکتریایی» قرار گیرند، استفاده شد، جایی که ژن‌ها را به اشتراک می‌گذارند و برای به دست آوردن ویژگی‌های جدید، آنها را نوترکیب می‌کنند.
او می‌گوید این یک کشف برجسته بود و E. coli به «ارگانیسم بسیار مورد علاقه همه» تبدیل شد.
این کشف باعث شد E. coli نقش محوری در بسیاری از اکتشافات و نقاط عطف دیگر در ژنتیک و زیست‌شناسی مولکولی ایفا کند.
از آن برای کمک به رمزگشایی کد ژنتیکی استفاده شد و در دهه ۱۹۷۰ به اولین ارگانیسمی تبدیل شد که با وارد کردن DNA خارجی به آن، مهندسی ژنتیک شد - که پایه و اساس بیوتکنولوژی مدرن را بنا نهاد.
همچنین مشکلی در تولید انسولین حل شد. انسولین گاو و خوک برای درمان دیابت استفاده می‌شد، اما در برخی از بیماران باعث واکنش‌های آلرژیک می‌شد.
اما در سال ۱۹۷۸ اولین انسولین مصنوعی انسانی با استفاده از E. coli تولید شد که یک پیشرفت بزرگ بود.
در سال ۱۹۹۷، این باکتری به یکی از اولین ارگانیسم‌هایی تبدیل شد که کل ژنوم آن توالی‌یابی شد و درک و دستکاری آن آسان‌تر شد.
آدام فیست، استاد دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو که میکروب‌ها را برای کاربردهای صنعتی تکامل می‌دهد، می‌گوید که E. coli را به خاطر ویژگی‌های مفید فراوانش تحسین می‌کند.
فراتر از دانش گسترده انباشته شده در مورد ژنتیک آن و ابزارهایی که مهندسی آن را آسان می‌کند، این باکتری به سرعت و به طور قابل پیش‌بینی روی طیف وسیعی از بسترها رشد می‌کند. مانند برخی دیگر "سخت‌گیر" نیست، می‌توان آن را بدون مشکل منجمد و احیا کرد و به طور غیرمعمولی در میزبانی DNA خارجی خوب است.
او می‌گوید: "هرچه بیشتر با میکروارگانیسم‌های بیشتری کار می‌کنم، بیشتر از میزان مقاومت E. coli قدردانی می‌کنم."
سینتیا کالینز مدیر ارشد Ginkgo Bioworks است، شرکتی که به شرکت‌ها در توسعه محصولات بیوتکنولوژی خود کمک می‌کند و به آنها در استفاده صنعتی از E. coli کمک کرده است.
دکتر کالینز می‌گوید، در حالی که فهرست ارگانیسم‌های موجود برای تولید در مقیاس بزرگ تا حدودی گسترده‌تر از چند دهه پیش است - زمانی که E. coli اغلب تنها انتخاب بود - اما بسته به محصول، اغلب می‌تواند "انتخاب خوبی" باشد. (حتی با مهندسی زیستی فشرده‌تر، E. coli نمی‌تواند همه چیز را تولید کند).
او می‌گوید: «این روش بسیار مقرون‌به‌صرفه است؛ می‌توانید مقدار زیادی از آن را پمپ کنید.» و اشاره می‌کند که اگر باکتری ماده‌ای سمی برای سلول‌ها تولید کند، اغلب می‌توان تحمل را در آن ایجاد کرد.
برخی جایگزین‌ها وجود دارند که افراد برای افزایش گزینه‌ها روی آنها کار می‌کنند - از جمله ویبریو ناتریژنز (V. nat) که به عنوان رقیب بالقوه E. coli توجه‌ها را به خود جلب کرده است.
ویبریو ناتریژنز اولین بار در دهه 1960 از یک مرداب نمکی در ایالت جورجیا ایالات متحده جدا شد، اما تا اواسط دهه 2010 در مجموعه‌های کشت و فریزرها تا حد زیادی نادیده گرفته شد، تا اینکه به دلیل سرعت رشد فوق‌العاده سریع خود - دو برابر E.coli - که می‌تواند یک مزیت صنعتی قابل توجه باشد، شناخته شد.
بوز بارستو، مهندس زیست‌شناسی و محیط زیست در دانشگاه کرنل، که از جمله کسانی است که این ارگانیسم را توسعه می‌دهد، می‌گوید که این ارگانیسم همچنین در جذب DNA خارجی بسیار کارآمدتر است و می‌گوید توانایی آن در مقایسه با E.coli مانند "رفتن از اسب به ماشین" است.
تمرکز دکتر بارستو بر V. nat این است که او می‌خواهد میکروب‌هایی را ببیند که برای مقابله با چالش‌های بزرگ پایداری - از تولید سوخت جت از دی اکسید کربن و برق سبز گرفته تا استخراج فلزات خاکی کمیاب - استفاده می‌شوند. او می‌گوید: «به عبارت ساده، E. coli ما را به هیچ یک از این رؤیاها نمی‌رساند. V. natriegens ممکن است.»
امسال آزمایشگاه او شرکتی به نام Forage Evolution تأسیس کرد که روی ابزارهایی کار می‌کند تا مهندسی آن را در آزمایشگاه برای محققان آسان‌تر کند.
پروفسور فایست اذعان می‌کند که V. nat ویژگی‌های جذابی ارائه می‌دهد، اما آن ابزارهای ژنتیکی مورد نیاز برای استفاده گسترده هنوز وجود ندارند و هنوز نتوانسته خود را در مقیاس بزرگ اثبات کند. او می‌گوید: «جایگزینی E. coli دشوار است.»