Ученые научили кишечную палочку потреблять СО2

Израильские исследователи создали штаммы кишечной палочки Escherichia coli, которые потребляют CO₂ для получения энергии вместо органических соединений. Это подчеркивает невероятную пластичность бактериального обмена веществ и может обеспечить основу для создания будущей углеродно-нейтральной биопродукции. 

«Наша главная цель – создать удобную научную модель, которая могла бы улучшить фиксацию углекислого газа_. Это может помочь решить проблемы, связанные с устойчивым производством продуктов питания и топлива, а также с глобальным потеплением, вызванным выбросами CO₂», – отметил ведущий автор исследования Рон Мило.

Первые шаги по превращению бактерий в растения

Живые организмы делятся на автотрофы, которые создают органические вещества из неорганических (растения), и гетеротрофы, которые потребляют органические соединения (животные, грибы, бактерии). Автотрофов на планете больше всего, они обеспечивают основную часть нашей пищи и топлива. 

Задачей ученых было создание синтетической автотрофии на гетеротрофном организме. Иными словами, они заставили гетеротрофный организм стать автотрофным и самому производить энергию. Прошлые подобные опыты, к сожалению, не увенчались успехом. Они требовали добавления многоуглеродных органических соединений в метаболизм гетеротрофов для достижения стабильного роста.

«Мы хотели узнать с научной точки зрения, можно ли научить бактерию переключиться на другой рацион – вместо сахара перейти на CO₂ для синтеза биомассы, – прокомментировал один из авторов исследования Шмуэль Глейзер. – Мы также хотели понять, насколько глубоко нужно переделать бактерию с точки зрения изменений в программе бактериальной ДНК».

Ученые использовали метаболическую перестройку и лабораторную эволюцию для превращения кишечной палочки в автотрофный организм. Полученный штамм берет энергию из формиата – вещества, которое можно получить электрохимически из возобновляемых источников. Поскольку формиат является органическим одноуглеродным соединением, которое не есть источником углерода для роста кишечной палочки, он не поддерживает гетеротрофный путь развития. Исследователи также разработали штамм по продуцированию ферментов для фиксации и восстановления углерода и получения энергии из формиата. Но одних этих изменений было недостаточно для поддержания автотрофии, поскольку метаболизм кишечной палочки адаптирован к гетеротрофному росту.

Лабораторная эволюция в действии

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали адаптивную лабораторную эволюцию как инструмент метаболической оптимизации. Они инактивировали главные ферменты, участвующие в гетеротрофном росте, делая бактерии более зависимыми от автотрофных путей роста. Они также вырастили в хемостатах клетки с ограниченным запасом ксилозы (углевода) – источника органического углерода – для подавления гетеротрофных путей.

В этой среде существует большое избирательное преимущество для автотрофов, которые используют CO₂ в качестве единственного источника углерода по сравнению с гетеротрофами, которые зависят от ксилозы как источника углерода для роста. Используя изотопную маркировку, исследователи подтвердили, что выделенные бактерии были действительно автотрофными, то есть именно углекислый газ, а не ксилоза или какое-либо другое органическое соединение, поддерживал рост клеток.

Секвенируя геном и плазмиды эволюционирующих автотрофных клеток, исследователи обнаружили, что в результате эволюции было получено 11 мутаций. Один набор мутаций затрагивал гены, которые кодируют ферменты, связанные с циклом фиксации углерода. Вторая группа мутаций, предположительно, не была обязательно специфичной для автотрофных путей. Роль третьей группы мутации пока до конца не выяснена.

«Мы показали успешную трансформацию способа роста бактерии. Конечно, пока до того, чтобы научить кишечную бактерию фотосинтезировать как растение, еще очень далеко», – отметил Глейзер.

Одним из основных недостатков исследования является то, что при потреблении формиата бактериями выделяется больше CO₂, чем потребляется при фиксации углерода. Кроме того, необходимы дополнительные исследования, прежде чем начать промышленное использование этой научной модели.

В дальнейших работах ученые попытаются определить, могут ли окружающие атмосферные условия поддерживать автотрофность, а также попробуют использовать наиболее важные мутации для автотрофного роста. 

Этот эксперимент показывает, как можно использовать искусственно выращенные бактерии для превращения отходов в топливо и вещества для продуктов питания.