Мы часто обращаемся к самым маленьким формам жизни за помощью в решении самых больших проблем: микробы помогают производить еду и напитки, лечить болезни, перерабатывать отходы и даже очищать загрязнение. Дрожжи и бактерии также могут превращать растительные сахара в биотопливо и химические вещества, традиционно получаемые из ископаемого топлива, — ключевой компонент большинства планов по замедлению изменения климата.
Теперь исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон создали бактерии, которые могут производить два химических продукта одновременно из недостаточно используемого растительного волокна. И в отличие от людей, эти многозадачные микробы могут одинаково хорошо выполнять обе задачи.
«Насколько мне известно, это один из первых случаев, когда вы можете производить два ценных продукта одновременно с помощью одного микроба», — говорит Тим Донохью, профессор бактериологии Университета Висконсина в Мэдисоне и директор Центра биоэнергетических исследований Великих озер.
Открытие, подробно описанное в статье в журнале «Прикладная и экологическая микробиология», может помочь сделать биотопливо более устойчивым и коммерчески жизнеспособным.
«В принципе, эта стратегия снижает чистые выбросы парниковых газов и улучшает экономику», — говорит Донохью. «Количество энергии и парниковых газов, необходимое для производства двух продуктов в одном котле, будет меньше, чем при использовании двух котлов для производства одного продукта в каждом котле».
Каждая молекула имеет значение
Стремление заменить ископаемое топливо устойчивыми альтернативами зависит от извлечения максимально возможной пользы из возобновляемой биомассы. Как и в случае с нефтехимией, каждая молекула имеет значение: небольшие объемы дорогостоящих продуктов помогают сделать топливо более доступным.
Одним из самых больших барьеров является часть стенки растительной клетки, называемая лигнином. Лигнин является самым распространенным в мире источником возобновляемого ароматического углерода, но из-за его нерегулярной структуры его разложение на полезные компоненты чрезвычайно сложно.
Вот почему ученые из GLBRC изучили бактерию под названием Novosphingobium Aromaticivorans (иногда называемую просто Novo), которая может переваривать многие компоненты лигнина и относительно легко поддается генетической модификации.
В 2019 году исследователи создали штамм Novo, который может производить ключевой ингредиент пластмасс, таких как нейлон и полиуретан, известный как PDC. Совсем недавно команда из лаборатории Донохью обнаружила еще одну модификацию, которая позволяет Novo производить другой пластиковый ингредиент под названием ccMA.
Но они не остановились на этом.
«Мы не собираемся решать проблему выбросов углекислого газа, производя только два продукта», — говорит Бен Холл, недавний аспирант, внесший вклад в исследование.
Команда Донохью использовала геномное моделирование, чтобы составить список потенциальных продуктов, которые можно производить из ароматических веществ биомассы. В верхней части списка находился зеаксантин, один из группы органических пигментов, известных как каротиноиды .
Каротиноиды, которые придают моркови, тыкве, лососю и даже фламинго их характерный оттенок, используются в качестве пищевых добавок , фармацевтических препаратов и косметики, а их совокупная рыночная стоимость оценивается в десятки миллиардов долларов в год.
Исследователи знали, что у Ново есть гены, позволяющие производить еще один каротиноид с небольшой рыночной стоимостью. Основываясь на последовательности генома бактерий, они предположили, что зеаксантин является ступенькой к менее ценному каротиноиду в процессе, который клетки используют для создания сложных молекул. Это был всего лишь вопрос изменения правильных генов, чтобы остановить пищеварительный конвейер на более ценном продукте.
Удалив или добавив выбранные гены, они создали штаммы, которые продуцировали зеаксантин, а также другие ценные каротиноиды — бета-каротин, ликопин и астаксантин — при выращивании на ароматическом соединении, обычно встречающемся в лигнине.
Затем команда показала, что сконструированные бактерии могут производить те же каротиноиды из жидкости, приготовленной из измельченных и обработанных стеблей сорго, раствора, содержащего смесь ароматических веществ, которые многие промышленные бактерии не могут переварить.
Одна кастрюля, два продукта
Затем Холл задался вопросом, что произойдет, если он объединит генетические изменения, необходимые для образования PDC и каротиноида в одном и том же микробе.
Полученные штаммы продуцировали как PDC, так и целевой каротиноид – без заметной потери выхода каждого из них. Более того, бактерии накапливают каротиноиды внутри своих клеток, которые необходимо отделить от раствора, содержащего PDC, который они секретируют.
«Мы уже отделяем клетки от среды», — говорит Холл. «Теперь у нас будет продукт, основанный на обоих».
Следующие шаги включают в себя проверку того, могут ли сконструированные штаммы одновременно производить каротиноиды и ccMA (что, по мнению Донохью, так и будет), а также разработку штаммов для повышения урожайности в промышленных условиях.
Хотя для каждого из этих продуктов существуют прибыльные рынки, Донохью и Холл говорят, что реальная ценность открытия заключается в возможности добавить к этой биологической платформе множество функций.
«Для меня это и стратегия, и продукты», — говорит Донохью. «Теперь, когда мы это сделали, я думаю, это открывает возможность увидеть, сможем ли мы создать другое микробное шасси, из которого можно будет производить два продукта».
Теги: биотехнологии
