Израильские ученые получили штамм кишечной палочки (Escherichia coli), способный к автотрофному питанию, сообщается в Cell. Бактерии, полученные в лаборатории с помощью генной инженерии и селекции, способны создавать органические вещества из углекислого газа в ходе реакций цикла Кальвина. Ожидается, что такая кишечная палочка будет способствовать биосинтезу нужных человеку веществ в промышленных масштабах без отходов в виде диоксида углерода.
Биотехнология давно позволяет внедрять в ДНК бактерий гены других организмов и делать так, чтобы эти гены экспрессировались, а в результате их экспрессии образовывались нужные вещества. Так в промышленных масштабах получают ряд гормонов (инсулин, гормон роста соматотропин), аминокислоты и другие вещества. Большая часть бактерий, которые для этой цели используют, — гетеротрофы. Это означает, что для производства органических веществ им нужны другие органические вещества. Этим они отличаются от автотрофов, которым для создания органики подходит неорганическое сырье — углекислый газ (CO2). Автотрофы поглощают его из воздуха и включают в состав более крупных молекул, такой процесс называется фиксацией углерода.
Учитывая, что содержание CO2 в атмосфере планеты растет, и вместе с этим меняется климат, было бы неплохо перевести биопроизводство на безотходный режим, «научить» бактерии синтезировать органические вещества из углекислого газа, который они же сами (или еще и кто-то другой) и произвели при дыхании. Попытки это сделать уже предпринимали различные группы ученых, но полученным в ходе их экспериментов бактериям для фиксации углерода все же требовались некоторые органические вещества. В лучшем случае такие организмы формировали из диоксида углерода лишь треть биомассы.
Исследователи из Института Вейцмана под руководством Рона Майло (Ron Milo) вывели кишечную палочку, которая может использовать для производства органики только углекислый газ без добавления каких-либо органических веществ. Для этого они добавили в ДНК Escherichia coli гены ферментов, необходимых для реакций цикла Кальвина (в ходе них CO2 превращается в органические вещества), инактивировали часть ферментов, необходимых для нормального обмена веществ гетеротрофам, и поместили полученные бактерии в биореакторы, где атмосфера содержит 10 процентов углекислого газа, а не 0,4 процента, как земная.
Несколько поколений бактерий держали в биореакторах, добавляя в среду некоторое количество сахара ксилозы, чтобы микроорганизмы-гетеротрофы могли выжить. Ксилоза не самый удобный источник углерода, поэтому бактерии, способные получать углерод из углекислого газа, получали в такой среде преимущество. Впервые их выделили из биореакторов через 203 дня после запуска эксперимента, а к 340 дню все бактерии были способны использовать CO2 как материал для построения органических веществ.
Источником энергии для фиксации углерода служила реакция окисления муравьиной кислоты. Хотя это вещество относится к органическим, его атомы E. coli не включали в состав органических молекул, а значит, муравьиная кислота здесь по определению не поддерживала гетеротрофный метаболизм.
A — лабораторная эволюция модифицированных кишечных палочек от бактерий, которым для производства органических веществ нужна ксилоза, до автотрофов, которые получают энергию для синтеза органических веществ за счет окисления муравьиной кислоты (и синтез этот идет только из углекислого газа). B — ход лабораторной эволюции кишечной палочки. Зеленые точки показывают, как менялась доля зависимых от ксилозы бактерий с течением дней
Эксперимент показал, что известные бактерии можно в обозримые сроки «настроить» так, чтобы они производили органические вещества только из углекислого газа. Правда, пока полученные кишечные палочки производят больше CO2 при окислении муравьиной кислоты, чем поглощают его для цикла Кальвина. К тому же, нет стопроцентной уверенности, что автотрофных Escherichia coli так же легко получится выращивать в промышленных масштабах, для изучения этого вопроса нужны новые исследования.
Кишечная палочка с измененным метаболизмом: в ней из углекислого газа образуются органические вещества (зеленый цикл), а энергию для этого получают окислением муравьиной кислоты (HCOOH, коричневые стрелки) под действием формиатдегидрогеназы (FDH)
Обмен веществ у бактерий очень пластичен, и их геномы легко меняются, благодаря чему возможностями и потребностями этих организмов можно управлять в широких пределах. А E. coli — еще и наиболее изученный микроорганизм. Поэтому неудивительно, что именно на базе ее штаммов создали бактерии с лишними «буквами» в ДНК и, наоборот, клетки с недостающими «словами» генетического кода. Также кишечной палочкой пробовали заменять митохондрии в клетках дрожжей и даже превращали ее в источник жесткого рентгеновского излучения.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение