Aplikacije v biotehnologiji

Elektroporacija se v mikrobni biotehnologiji pogosto uporablja zaradi zmožnosti indukcije reverzibilne ali ireverzibilne permeabilizacije celičnih membran bakterij, arhej in gliv. Ključne aplikacije vključujejo gensko inženirstvo mikroorganizmov, ekstrakcijo znotrajceličnih biomolekul, inaktivacijo mikrobov in temeljne mikrobne raziskave.

Gensko inženirstvo mikroorganizmov

Elektroporacija je ključno orodje za mikrobno gensko inženirstvo, ki omogoča vnos plazmidne DNA, linearnih fragmentov DNA, RNA ali sistemov za urejanje genomov (npr. CRISPR–Cas) v bakterije in kvasovke z reverzibilno elektroporacijo, pri kateri se v celični membrani tvorijo prehodne pore (Slika 2) 2. Ta pristop omogoča razvoj rekombinantnih in inženirskih sevov za raznovrstne industrijske, medicinske in okoljske aplikacije. Poleg tega elektroporacija zagotavlja nadzorovan sistem za proučevanje mehanizmov privzema DNA in prepustnosti membrane ter ponuja vpoglede v horizontalni prenos genov 3 in mikrobno fiziologijo.

Ekstrakcija znotrajceličnih biomolekul

Konvencionalne metode ekstrakcije biomolekul se običajno zanašajo na mehansko, kemijsko ali encimsko razgradnjo mikrobnih celičnih membran, kar pogosto povzroči obsežno lizo celic in sočasno sproščanje znotrajceličnih kontaminantov, kot so genomska DNA gostitelja, lipopolisaharidi in drugi endotoksini (Slika 3). V nasprotju s tem ekstrakcija z elektroporacijo omogoča nadzorovano in selektivno permeabilizacijo celične membrane, kar dovoljuje ciljno selektivno sproščanje znotrajceličnih biomolekul (npr. proteinov, plazmidne DNA, lipidov, pigmentov) iz mikroorganizmov (npr. bakterij, kvasovk, mikroalg), pri čemer se ohranja celokupna celična celovitost 4. Ta pristop zmanjšuje nastanek celičnih ostankov in bistveno zmanjša kontaminacijo ekstrahiranega produkta z neželenimi celičnimi komponentami 5.

Inaktivacija mikrobov

Bakterijske okužbe, odporne proti antibiotikom, predstavljajo naraščajoč izziv v sodobnih zdravstvenih sistemih. Kljub dolgoletni učinkovitosti antibiotikov v boju proti bakterijskim patogenom sta njihova razširjena prekomerna in nepravilna uporaba — zlasti v živinorejski industriji — skupaj z neustreznimi praksami nadzora okužb bistveno prispevali k nastanku in širjenju odpornih bakterijskih sevov 7. Zato je razvoj učinkovitih strategij za zmanjševanje proti antibiotikom odpornih bakterij v odpadnih vodah ključnega pomena. Naš laboratorij naslavlja to potrebo z izvajanjem kombinirane strategije zdravljenja, ki za inaktivacijo odpornih bakterij uporablja tako antibiotike kot elektroporacijo 8 (Slika 4). Elektroporacija se je izkazala za zelo obetavno dopolnilno tehnologijo, saj je učinkovita proti širokemu spektru bakterijskih vrst, nekemične narave in visoko optimizabilna.

Temeljne mikrobne raziskave

Elektroporacija bistveno vpliva na bakterijske celice z modulacijo njihove fiziologije, membranskih lastnosti, membranskega potenciala in prepustnosti ter z vplivom na metabolično aktivnost in gibljivost. Lahko spodbudi rast, proizvodnjo biomolekul in celično organizacijo. Izkoriščanje teh učinkov omogoča natančno prilagajanje bakterijskega obnašanja za raznovrstne aplikacije, vključno z izboljšano učinkovitostjo fermentacije, podaljšano živostjo celic in nadzorovano adhezijo v biotehnoloških in farmacevtskih procesih 9.