Досягнення може перетворити кишкову паличку на біологічну систему для виробництва енергії та навіть їжі.

модифікована

Бактерії кишкової палички модифіковані для зростання шляхом споживання вуглекислого газу. [IStock/Клаудіо Вентрелла]

Дослідники створили штам бактерій кишкової палички, який має здатність рости, споживаючи вуглекислий газ замість цукрів чи інших органічних молекул.

На думку вчених, це досягнення є важливим, оскільки воно різко змінює внутрішню роботу одного з найпопулярніших модельних організмів у біології. А в майбутньому новий штам може зробити можливим отримання молекул органічного вуглецю, які можна використовувати як біопаливо або в їжу. Продукти, отримані таким чином, мали б менші викиди в порівнянні зі звичайними методами виробництва, і навіть могли б видаляти газ з повітря. Робота щойно опублікована в Cell, Рон Майло, системний біолог з Інституту наук Вейцмана в Реховоті, та його співробітники.

Рослини та ціанобактерії (водні мікроорганізми з фотосинтетичною здатністю) використовують енергію світла для перетворення або фіксації CO2 в повітрі у вуглецеві будівельні блоки життя, включаючи ДНК, білки та жири. Але ці організми можуть бути важко генетично модифіковані, що сповільнило спроби перетворити їх на біологічні фабрики.

На відміну від цього, кишкову паличку порівняно легко модифікувати, і її швидке зростання дозволяє тестувати та коригувати зміни для оптимізації генетичних змін. Однак бактерії воліють рости на таких цукрах, як глюкоза, і замість того, щоб споживати СО2, вони виділяють цей газ як відхід.

Автори витратили останнє десятиліття маніпулюючи "дієтою" кишкової палички. У 2016 році вони створили штам, який споживав СО2, але сполука представляла лише частину споживання вуглецю в організмі; решта була отримана з пірувату, органічної сполуки, якою живились бактерії.

Дієта на газовій основі

Майло та його команда використали суміш генної та еволюційної інженерії в лабораторії, щоб створити штам кишкової палички, який отримував би весь вуглець із СО2. Спочатку вони ввели гени в бактерії, які кодують пару ферментів, що дозволяють фотосинтезуючим організмам перетворювати СО2 в органічний вуглець. Рослини та ціанобактерії використовують світло як джерело енергії для здійснення цього перетворення, але кишкової палички не вистачає цієї здатності. Тож автори вставили ген, який дозволяє бактеріям отримувати енергію з органічної молекули, яка називається форматом.

Але навіть за цих нововведень бактерії все ще не замінювали CO2 споживанням цукру. Для подальшої модифікації штаму дослідники протягом року культивували послідовні покоління модифікованої кишкової палички і пропонували їй лише незначну кількість цукру та СО2 у концентраціях, приблизно у 250 разів більших, ніж у атмосфері Землі. Вони очікували, що у них з’являться мутації, щоб адаптуватися до цієї нової дієти. Приблизно через 200 днів з’явилися перші клітини, здатні використовувати СО2 як єдине джерело вуглецю. А через 300 днів ці бактерії зростали швидше в лабораторних умовах, ніж ті, які не могли скористатися перевагами СО2.

Штами кишкової палички, які споживають СО2, або автотрофні, все ще зберігають здатність рости разом з цукром, і, якщо б у них була можливість, обрали б саме це джерело енергії, а не СО2, говорить Міло. Порівняно з немодифікованими бактеріями, кількість яких подвоюється кожні 20 хвилин, автотрофна кишкова паличка відстає і ділиться кожні 18 годин, коли вирощується в атмосфері СО2 на 10 відсотків. А при поточному рівні атмосфери 0,041 відсотка вони не можуть вижити без цукру.

Майло та його команда сподіваються зробити їхні бактерії швидше ростими і жити з нижчим рівнем CO2. Вони також намагаються зрозуміти, як еволюціонувала кишкова паличка, просто модифікуючи 11 генів, поки вона не змогла споживати CO2.

Робота показує спільну потужність інженерії та еволюції для вдосконалення природних процесів, говорить Шеріл Керфельд, біоінженер з Університету штату Мічиган та Національної лабораторії Лоуренса Берклі в Каліфорнії.

Бактерії кишкової палички вже використовуються для виготовлення синтетичних версій корисних речовин, таких як інсулін та гормон росту людини. Майло пояснює, що їх робота може розширити кількість продуктів, які вони можуть виготовити, такі як відновлюване паливо, їжа та інші речовини. Однак він не думає, що ці досягнення відбудуться найближчим часом. Ще пройде кілька років, поки ми не побачимо застосування цього мікроорганізму.

Івен Callaway

Стаття перекладена та адаптована компанією Research and Science з дозволу Групи досліджень природи.

Довідково: «Перетворення кишкової палички для отримання всього вуглецю біомаси із СО2». Шмуель Глейзер та ін. у клітині, вип. 179, No 6, с. 1255-1263, листопад 2019.