В лаборатории в Израиле кишечную палочку, которая обычно питается сахаром, преобразовали в такую, которая строит свои клетки, поглощая углекислый газ (CO2), как растения. Работа ученых может привести к созданию микроорганизмов, производящих топливо, фармацевтические препараты или улавливающих СО2 из воздуха.
Некоторые штаммы кишечной палочки используются для производства биотоплива и других химикатов, но обычно они питаются сахарами. Рону Майло из Института науки Вейцмана в Израиле и его коллегам удалось заставить этих микробов потреблять CO2. Это достижение подчеркивает невероятную пластичность бактериального метаболизма и может стать основой для будущего углеродно-нейтрального биопроизводства.
«Наша главная цель состояла в том, чтобы создать удобную платформу, которая помогла бы решить проблемы устойчивого производства продуктов питания и топлива и глобального потепления из-за выбросов CO2», — сказал Майло. Результаты исследования были опубликованы в журнале « Клетка ».
Достижение ученых коренным образом меняет внутреннюю работу одного из самых популярных модельных организмов в биологии. В будущем кишечная палочка, поглощающая CO2, может быть использована для производства биотоплива или продуктов питания. Продукты, произведенные таким образом, будут иметь более низкие выбросы по сравнению с обычными методами и потенциально могут удалить этот парниковый газ из воздуха.
Генная инженерия против природы
Биологи обычно делят мир на два типа организмов. Некоторые из них являются автотрофными организмами, такими как растения и некоторые бактерии, которые используют фотосинтез или хемосинтез для производства органических соединений, необходимых для построения клеток. Вторые — это гетеротрофные организмы (это мы и в основном все остальные), которые получают свои строительные блоки из организмов, которые они едят. Автотрофные организмы преобладают в биомассе на Земле и обеспечивают большую часть нашей пищи и топлива. Лучшее понимание того, как они работают, имеет решающее значение на пути к устойчивому развитию.
Биотехнологи давно пытались создать синтетический автотрофизм в модельном гетеротрофном организме. Генная инженерия работает с автотрофными растениями и бактериями, чтобы переделать их для производства ценных химических веществ и топлива из воды и CO2. Это может быть намного дешевле, чем другие маршруты. Но до сих пор исследователям удавалось заставить гетеротрофную кишечную палочку, известную большинству людей как микроб, живущий в нашем кишечнике и иногда вызывающий пищевое отравление, производить этанол и другие желаемые химические вещества. Однако модифицированные штаммы E. coli должны находиться на сахарной диете, что увеличивает затраты.
Майло и его коллеги решили посмотреть, смогут ли они превратить кишечную палочку в автотрофную. Для этого они переработали две основные части бактериального метаболизма: способ получения бактериями энергии и источник углерода, который они используют для роста.
Вынужденные бактерии изменить свой рацион
Растения и фотосинтезирующие цианобактерии — водные микробы, производящие кислород, — используют энергию света для преобразования или фиксации CO2 в углеродсодержащие строительные блоки жизни, включая ДНК, белки и жиры. Но эти организмы трудно генетически модифицировать. Напротив, E. coli относительно легко сконструировать, а ее быстрый рост означает, что сделанные изменения можно быстро протестировать и, возможно, модифицировать для оптимизации генетических изменений. Проблема в том, что бактерии предпочитают сахарную диету и вместо потребления CO2 выделяют газ в виде отходов.
«С фундаментальной научной точки зрения мы хотели посмотреть, происходит ли такая важная трансформация в рационе бактерий — от пристрастия к сахару до синтеза всей биомассы из CO2, — объяснил соавтор исследования Шмуэль Глейзер из Научного института Вейцмана.
Чтобы превратить бактерии E. Coli в автотрофный организм, использующий CO2 в качестве источника роста, ученые добавили к ним ген, кодирующий пару ферментов, позволяющих фотосинтезирующим организмам преобразовывать CO2 в органический углерод. Растения и цианобактерии усиливают это преобразование с помощью света, но реализация фотосинтеза в других организмах в настоящее время находится за пределами досягаемости ученых. Вместо этого команда Майло представила ген, который позволяет бактериям извлекать энергию из органической молекулы, называемой формиатом.
Эволюция
Эти изменения не побудили бактерии кишечной палочки изменить свой рацион. Метаболизм бактерий приспособлен к гетеротрофному росту. Но ученые не сдавались. Они инактивировали ферменты, участвующие в гетеротрофном росте, что сделало бактерии более зависимыми от путей автотрофного роста. В течение года они выращивали последовательные поколения модифицированных кишечных палочек, давая им формиат и небольшое количество сахаров, которые они все равно постепенно уменьшали. С другой стороны, к ним подавался СО2 в концентрациях примерно в 250 раз выше, чем в атмосфере Земли. Таким образом они хотели привести к эволюции бактерий, чтобы они адаптировались к новой среде и новому питанию.
Примерно через 200 дней появились первые клетки, способные использовать СО2 в качестве единственного источника углерода. Через 300 дней и сотни поколений из рациона были исключены сахара, и остались только те бактерии, которые превратились в автотрофов. Как признал Майло, автотрофные штаммы E. coli все еще могут процветать на сахаре — и будут использовать этот источник топлива более охотно, чем CO2. По сравнению с обычными кишечными палочками, которые могут удваиваться каждые 20 минут, автотрофные кишечные палочки задерживаются, делясь каждые 18 часов при выращивании в атмосфере на 10 процентов. концентрация СО2.
11 новых генетических мутаций
В общей сложности бактерии развили 11 новых генетических мутаций, которые позволили им выжить без сахара. «Это действительно показывает, насколько удивительной может быть эволюция, потому что она может изменить что-то столь фундаментальное, как клеточный метаболизм», — сказал Майло. Тем не менее, новые штаммы нуждаются в высоких уровнях CO2. Они не могут выжить без сахаров при нынешнем уровне CO2 в атмосфере-в настоящее время 0,041 процента.
По мере продвижения работы Майло и его команда надеются, что их бактерии будут расти быстрее и смогут выживать при более низких уровнях CO2 в будущем. Исследователи также пытаются понять, как E. coli эволюционировала, чтобы потреблять CO2.
Даже сейчас бактерии кишечной палочки используются для производства синтетических версий полезных химических веществ, таких как инсулин и гормон роста человека. Майло говорит, что работа его команды может расширить спектр продуктов, производимых бактерией, включая возобновляемое топливо, продукты питания и другие вещества. Но до этого еще далеко. Работа ученых поддерживает концепцию, но пройдет не один десяток лет, прежде чем эти организмы найдут применение.
