Вчені навчили кишкову паличку споживати CO2

Ізраїльські дослідники створили штами кишкової палички Escherichia coli, які споживають CO₂ для отримання енергії замість органічних сполук. Це підкреслює неймовірну пластичність бактеріального обміну речовин і може забезпечити основу для створення майбутньої вуглецево-нейтральної біопродукції.

«Наша головна мета – створити зручну наукову модель, яка могла б поліпшити фіксацію вуглекислого газу. Це може допомогти вирішити проблеми, пов'язані зі стійким виробництвом продуктів харчування і палива, а також із глобальним потеплінням, викликаним викидами CO₂», – зазначив провідний автор дослідження Рон Міло.

Перші кроки з перетворення бактерій на рослини

Живі організми поділяються на автотрофи, які створюють органічні речовини з неорганічних (рослини), і гетеротрофи, які споживають органічні сполуки (тварини, гриби, бактерії). Автотрофів на планеті найбільше за все, вони забезпечують основну частину нашої їжі та палива.

Завданням учених було створення синтетичної автотрофії на гетеротрофному організмі. Іншими словами, вони змусили гетеротрофний організм стати автотрофним і самому виробляти енергію. Минулі подібні досліди, на жаль, не увінчалися успіхом. Вони вимагали додавання багатовуглецевих органічних сполук у метаболізм гетеротрофів для досягнення стабільного росту.

«Ми хотіли дізнатися з наукової точки зору, чи можна навчити бактерію переключитися на інший раціон – замість цукру перейти на CO₂ для синтезу біомаси, – прокоментував один з авторів дослідження Шмуель Глейзер. – Ми також хотіли зрозуміти, наскільки глибоко потрібно переробити бактерію з точки зору змін у програмі бактеріальної ДНК».

Вчені використали метаболічну перебудову і лабораторну еволюцію для перетворення кишкової палички на автотрофний організм. Отриманий штам бере енергію з форміату –  речовини, яку можна отримати електрохімічно з поновлюваних джерел. Оскільки форміат є органічною одновуглецевою сполукою, яка не є джерелом вуглецю для росту кишкової палички, він не підтримує гетеротрофний шлях розвитку. Дослідники також розробили штам з продукування ферментів для фіксації і відновлення вуглецю і отримання енергії з форміату. Але самих цих змін було недостатньо для підтримки автотрофії, оскільки метаболізм кишкової палички адаптований до гетеротрофного росту.

Лабораторна еволюція в дії

Щоб подолати цю проблему, дослідники використовували адаптивну лабораторну еволюцію як інструмент метаболічної оптимізації. Вони інактивували головні ферменти, що беруть участь у гетеротрофному рості, роблячи бактерії більш залежними від автотрофних шляхів росту. Вони також виростили в хемостатах клітини з обмеженим запасом ксилози (вуглеводу) – джерела органічного вуглецю – для придушення гетеротрофних шляхів.

У цьому середовищі існує велика вибіркова перевага для автотрофів, які використовують CO₂ в якості єдиного джерела вуглецю у порівнянні з гетеротрофами, які залежать від ксилози як джерела вуглецю для росту. Використовуючи ізотопне маркування, дослідники підтвердили, що виділені бактерії були дійсно автотрофними, тобто саме вуглекислий газ, а не ксилоза або будь-яка інша органічна сполука, підтримував ріст клітин.

Секвенуючи геном і плазміди автотрофних клітин, що еволюціонують, дослідники виявили, що в результаті еволюції було отримано 11 мутацій. Один набір мутацій зачіпав гени, які кодують ферменти, пов'язані з циклом фіксації вуглецю. Друга група мутацій, імовірно, не була обов'язково специфічною для автотрофних шляхів. Роль третьої групи мутації поки до кінця не з'ясована.

«Ми показали успішну трансформацію способу росту бактерії. Звичайно, поки до того, щоб навчити кишкову бактерію фотосинтезувати як рослина, ще дуже далеко», – зазначив Глейзер.

Одним з основних недоліків дослідження є те, що при споживанні форміату бактеріями виділяється більше CO₂, ніж споживається при фіксації вуглецю. Крім того, необхідні додаткові дослідження, перш ніж почати промислове використання цієї наукової моделі.

У подальших роботах вчені спробують визначити, чи можуть навколишні атмосферні умови підтримувати автотрофность, а також спробують використовувати найбільш важливі мутації для автотрофного росту.

Цей експеримент показує, як можна використовувати штучно вирощені бактерії для перетворення відходів на паливо і речовини для продуктів харчування.