Кінцевою метою ізраїльських дослідників є створення біологічних фабрик, які перетворюють газ, відповідальний за кліматичні зміни, на їжу та паливо.

Бактерії кишкової палички сидять на дієті. Дослідники створили штам бактерій, який представляє лабораторного робочого коня (повне найменування Escherichia coli), який росте за рахунок споживання вуглекислого газу замість цукру або інших органічних молекул.

ізраїльські

Досягнення є важливим етапом, вважають вчені, оскільки воно суттєво змінює внутрішню роботу одного з найпопулярніших модельних організмів у біології. А в майбутньому кишкова паличка, яка харчується СО2, може бути використана для отримання молекул органічного вуглецю, які можуть бути використані як біопаливо або для виробництва їжі.. Продукція, виготовлена ​​таким чином, мала б менші викиди порівняно із звичайними способами виробництва та могла б видаляти газ із повітря. Дослідження було опубліковано в журналі Cell 27 листопада.

"Це як метаболічна трансплантація серця", - говорить Тобіас Ерб, біохімік і синтетичний біолог з Інституту земної мікробіології Макса Планка в Марбургу, Німеччина, який не брав участі у дослідженні.

Рослини та фотосинтезуючі ціанобактерії, водні мікроби, що виробляють кисень, використовують енергію світла для перетворення або фіксації СО2 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 відносно легко переробити, і її швидке зростання означає, що зміни можна швидко перевірити та скоригувати для оптимізації генетичних модифікацій. Але бактерії воліють рости на таких цукрах, як глюкоза, і замість того, щоб споживати СО2, вони виділяють газ як відходи.

Рон Міло, системний біолог з Інституту науки Вейцмана в Реховоті, Ізраїль, та його команда протягом останнього десятиліття переглядали раціон Е. coli. У 2016 році вони створили штам, який споживав СО2, але сполука представляла лише частку споживання вуглецю в організмі; решта була органічною сполукою, яку живили бактерії, звана піруватом.

Газова дієта

В останній роботі Майло та його команда використали комбінацію генної інженерії та лабораторної еволюції для створення штаму кишкової палички, який може отримувати весь вуглець із СО2. Спочатку, дав бактеріям гени, що кодують пару ферментів, що дозволяють фотосинтезуючим організмам перетворювати СО2 в органічний вуглець. Рослини та ціанобактерії посилюють це перетворення зі світлом, але це було нездійсненно для кишкової палички. Натомість команда Майло вставила ген, який дозволяє бактеріям витягувати енергію з органічної молекули, яка називається форматом.

Навіть при цих добавках бактерії відмовлялися продавати свою їжу на основі цукру на СО2. Для подальшої точної настройки штаму дослідники вирощували послідовні покоління модифікованої кишкової палички протягом року, годуючи їх лише невеликою кількістю цукру та СО2 у концентраціях, приблизно в 250 разів більших, ніж в атмосфері Землі. Вони очікували, що бактерії розвинуть 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 споживати СО2.

Штами, що їдять CO2, кишкові палички, або автотрофи, все ще можуть рости на цукрі і використовуватимуть це джерело палива над CO2, якщо нададуть йому можливість, говорить Міло. Порівняно із звичайною кишковою паличкою, яка може подвоїтись кожні 20 хвилин, автотрофна кишкова паличка відстає і ділиться кожні 18 годин при вирощуванні в атмосфері 10% СО2. Вони не можуть існувати без цукру при атмосферному рівні CO2, в даний час 0,041%.

Майло та його команда сподіваються, що їх бактерії будуть рости швидше та житимуть із нижчим рівнем CO2. Вони також намагаються зрозуміти, як Е. coli еволюціонував, щоб їсти CO2: зміни лише в 11 генах, здавалося, дозволяють зміни, і зараз вони працюють над визначенням того, як.

Робота є "віхою" і демонструє потужність термоядерного синтезу та еволюції для вдосконалення природних процесів, каже Шеріл Керфельд, біоінженер з Університету штату Мічиган у Східному Ленсінгу та Національної лабораторії Лоуренса Берклі в Каліфорнії.

Кишкова паличка вже використовується для виготовлення синтетичних версій таких корисних хімічних речовин, як інсулін та гормон росту людини. Майло каже, що робота його команди може розширити продукти, які можуть виробляти бактерії, включаючи відновлюване паливо, їжу та інші речовини. Але він не бачить, що це станеться найближчим часом.

"Це дослідження, яке підтверджує концепцію", - погоджується Ерб. "Пройде пара років, поки ми не побачимо, як застосовується цей орган".