Miljontals ton plastavfall samlas varje år på soptippar och i haven. En lovande lösning är att genmanipulera mikrober så att de bryter ner plasten till användbara kemiska byggstenar.
Att lära en bakterie att bryta ner plast på ett effektivt sätt kräver dock att man finjusterar inte bara en gen, utan hela grupper av gener som samverkar – ungefär som att uppgradera varje maskin i en fabriksmonteringslinje istället för att byta ut en enda del.
En ny plattform som utvecklats av forskare vid NUS kan göra detta möjligt. Systemet, som kallas Lytic Selection and Evolution (LySE), utnyttjar en modifierad bakteriofag – ett virus som infekterar bakterier – för att snabbt skapa och testa många små genetiska förändringar. Det kan förbättra långa DNA-sträckor (upp till cirka 40 000 DNA-bokstäver), tillräckligt stora för att inkludera de flesta genuppsättningar som behövs för viktiga kemiska processer i celler.
En snabbkurs i plastätande
För att ”lära” bakterier att bryta ner nya kemikalier (som ingredienser i plast) ger forskarna dem en uppsättning gener – kallad en genväg – som samverkar som ett löpande band. Efter varje omgång (kallad en ”evolution”) behåller forskarna de bakterier som presterar bäst (till exempel de som växer bättre med hjälp av målkemikalien) och upprepar processen. LySE är utformat för att påskynda denna ”träningsprocess”.
I en proof-of-concept-demonstration förbättrade LySE en uppsättning av fem gener som låter E. coli-bakterier livnära sig på etylenglykol, en kemikalie som används vid tillverkning av PET-plast. Efter endast fem cykler växte de bäst presterande bakterierna mer än 50 % bättre på etylenglykol. Eftersom LySE endast förändrar de utvalda generna och använder färska bakterier varje omgång, kan forskarna enkelt överföra de förbättrade generna till nya bakterier, vilket är ett avgörande steg mot att använda plastnedbrytande mikrober i stor skala.
Forskare under ledning av biträdande professor Julius Fredens från Institutionen för biokemi och programmet NUS Synthetic Biology for Clinical and Technological Innovation (SynCTI) vid NUS Yong Loo Lin School of Medicine beskriver plattformen i en artikel publicerad i Nature Microbiology den 1 maj 2026.
”Traditionellt har forskare varit tvungna att välja mellan långsamma men mycket kontrollerade evolutionära metoder, eller supersnabba men okontrollerbara kontinuerliga metoder”, säger biträdande professor Fredens. ”Vårt mål var att skapa ett system som förenar det bästa av två världar: ett verktyg som snabbt utvecklar stora biologiska vägar samtidigt som det låter oss trycka på pausknappen för att kontrollera processen och förhindra oönskade genetiska fel.”
Biträdande professor Julius Fredens (till höger) och försteförfattaren Ong Shujian (till vänster) från NUS SynCTI granskar experimentella data från studier som optimerar genfunktioner. Källa: National University of Singapore
”Slarvig” av design
Riktad evolution är en metod som forskare använder för att ”påskynda” naturligt urval i laboratoriet. De gör slumpmässiga förändringar (mutationer) i en gen, testar sedan och behåller de versioner som fungerar bäst, och upprepar denna process många gånger.
En annan metod, kontinuerlig evolution, såsom fagassisterad kontinuerlig evolution (PACE), kan genomföra dessa mutations- och selektionscykler mycket snabbt, men de har två huvudproblem: de kan endast hantera små DNA-fragment (cirka 8 000 DNA-bokstäver långa), och de kan få ”fuskare” där bakterierna muterar sitt eget DNA på ett sätt som lurar testet och hjälper dem att överleva, utan att faktiskt förbättra målgenen.
”LySE kringgår dessa två problem genom att utnyttja bakteriofagen T7, ett virus som infekterar E. coli-bakterier”, förklarade doktoranden Shujian Ong, som genomförde en stor del av forskningen. ”T7 replikerar sig snabbt och bryter upp bakteriecellen inom några minuter. Vi har modifierat viruset så att det, när det bildar nya viruspartiklar, också packar in en extra liten DNA-ring som kallas en fagmid och som bär den grupp av gener som man vill förbättra.”
För att producera många nya versioner av dessa gener kopieras fagmiden av ett specialkonstruerat DNA-kopierande enzym (T7-DNA-polymeras) som avsiktligt är felbenäget. Tänk på ett normalt DNA-polymeras som en precis kopieringsmaskin: denna modifierade variant är medvetet slarvig och gör många ”skrivfel” (mutationer) – ungefär 160 000 gånger fler än bakteriens eget DNA-kopieringssystem.
Paradoxalt nog är det just den höga felfrekvensen som gör systemet kontrollerbart. Eftersom polymeraset är så ”slarvigt” förstör det även virusets eget DNA. Som ett resultat blir fagen svagare och förlorar förmågan att sprida sig okontrollerat; den kan endast förstöra bakterierna när den tillsätts i stora mängder.
Genom att justera förhållandet mellan fager och bakterier växlar forskarna mellan en mutationsfas, där målgenerna får många nya mutationer och dessa muterade gener packas in i nya fagpartiklar, och en selektionsfas, där muterade gener placeras i friska, normala bakterier och testas för förbättrad funktion.
Från antibiotikaresistens till nedbrytning av plast
NUS-teamet validerade LySE-metoden på två sätt. I en antibiotikaresistenskontroll kvarstod den förbättrade egenskapen efter att generna hade överförts till nya bakterier, vilket bekräftade att förändringarna hade byggts in i målgenklustret.
För det andra försökte forskarna förbättra en hel ”minifabrik” i cellerna: en femgeners väg som låter bakterier använda etylenglykol för tillväxt och energi. Efter fem omgångar med mindre glukos varje gång producerade den bäst presterande stammen 50,9 % mer biomassa med etylenglykol som enda näringskälla.
Sekvensering visade att LySE förändrade både regulatoriska regioner (omkopplare som styr hur mycket en gen är på eller av) och proteinkodande gener, och varje användbar mutation bekräftades genom att lägga tillbaka den en i taget i en ny värd.
”Utan LySE är en bakteries instinkt att mutera hela sitt eget genom för att hitta sätt att äta mer plast, men den har svårt att hitta optimala lösningar på det sättet”, tillade biträdande professor Fredens. ”LySE förbättrar målgenklustret enormt utan att ackumulera oönskade mutationer i resten av bakteriens DNA. Eftersom alla förbättringar är strikt begränsade till vårt specifika genkluster kan vi enkelt överföra denna högoptimerade väg till helt andra bakterier.”
Utveckling av ny biologi
Plattformens kapacitet att hantera genkluster på upp till 40 kilobaser – fem gånger gränsen för den vanligaste fagbaserade utvecklingsmetoden – öppnar dörren till tillämpningar som tidigare var opraktiska. Dessa inkluderar optimering av biosyntetiska vägar för läkemedel, utveckling av mikrober som bryter ner miljöföroreningar och utveckling av helt syntetiska metaboliska vägar för koldioxidupptag.
Arbetsflödet kräver endast standardlaboratorieutrustning och blandning av faglysat med cellkulturer, vilket gör tekniken tillgänglig för laboratorier utan specialistkunskap inom fagbiologi. En patentansökan har lämnats in för LySE-tekniken. Framöver planerar teamet att tillämpa LySE på system som är helt syntetiska och nya för naturen.
”Ett viktigt mål är att konstruera syntetiska CO2-fixerande metaboliska vägar, genom att ta datorgenererade vägar som aldrig har funnits i den verkliga världen och optimera dem så att de faktiskt fungerar effektivt inuti levande celler”, säger biträdande professor Fredens. ”Med LySE kan vi ta AI-designade enzymer och metaboliska vägar och snabbt optimera dem så att de fungerar i praktiken. Det är där den enorma potentialen ligger.”
Publikationsuppgifter
Shujian Ong et al, Bridging continuous and discrete evolution through a controllable, hypermutagenic phage-bacteria system, Nature Microbiology (2026). DOI: 10.1038/s41564-026-02346-y. www.nature.com/articles/s41564-026-02346-y
