Ученые разработали бактерию, потребляющую углекислый газ

По словам ученых, это достижение является важной вехой, поскольку оно радикально меняет внутреннюю работу одного из самых популярных биологических модельных организмов. А в будущем E.coli, потребляющую СО 2, можно использовать для получения молекул органического углерода, которые можно использовать в качестве биотоплива или для производства продуктов питания. Продукты, изготовленные таким образом, будут иметь более низкие выбросы по сравнению с обычными способами производства и потенциально могут удалить газ из воздуха.

«Это похоже на метаболическую пересадку сердца», - говорит Тобиас Эрб, биохимик и синтетический биолог из Института наземной микробиологии им. Макса Планка в Марбурге, Германия, который не принимал участия в исследовании.

Растения и фотосинтетические цианобактерии - водные микробы, которые производят кислород - используют энергию света для преобразования или фиксации CO 2 в углеродсодержащие строительные блоки жизни, включая ДНК, белки и жиры. Но эти организмы могут быть трудно генетически модифицированы, что замедляет усилия по превращению их в биологические фабрики.

В отличие от этого, бактерия E.coli относительно проста в разработке, и ее быстрый рост означает, что изменения можно быстро протестировать и настроить для оптимизации генетических изменений. Но бактерия предпочитает расти на сахарах, таких как глюкоза, и вместо того, чтобы потреблять CO 2 , она выбрасывает газ в виде отходов.

Рон Майло, системный биолог из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль, и его команда провели последнее десятилетие, пересматривая рацион E. coli . В 2016 году они создали 2 штамм, который потреблял CO 2 , но это соединение составляло лишь часть потребления углерода организмом - остальное было органическим соединением, которое питали бактерии, называемым пируватом.

В последней работе Майло и его команда использовали сочетание генной инженерии и лабораторной эволюции для создания штамма кишечной палочки, который может получать весь свой углерод из CO 2 . Во-первых, они дали бактериальные гены, которые кодируют пару ферментов, которые позволяют фотосинтезирующим организмам превращать СО 2 в органический углерод. Растения и цианобактерии обеспечивают это преобразование светом, но для E. coli это было невозможно. Вместо этого команда Майло вставила ген, который позволяет бактериям собирать энергию из органической молекулы, называемой формиатом.

Даже с этими добавками, бактерия отказалась менять свою сахарную еду на CO 2. Чтобы дополнительно настроить штамм, исследователи культивировали последующие поколения модифицированной кишечной палочки в течение года, давая им лишь незначительные количества сахара и СО 2 в концентрациях, примерно в 250 раз превышающих концентрации в атмосфере Земли. Они надеялись, что бактерии разовьют мутации, чтобы приспособиться к этой новой диете. Примерно через 200 дней появились первые клетки, способные использовать CO 2 в качестве единственного источника углерода. И через 300 дней эти бактерии росли быстрее в лабораторных условиях, чем те, которые не могли потреблять CO 2 .

Майло и его команда надеются, что их бактерии будут расти быстрее и жить на более низких уровнях CO 2 . Они также пытаются понять, как кишечная палочка эволюционировала, чтобы потреблять CO 2 : изменения только в 11 генах, казалось, позволили переключиться, и теперь они работают над тем, чтобы определить как.

По словам Шерил Керфельд, биоинженера в Университете штата Мичиган в Восточном Лансинге и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли в Калифорнии, эта работа является «вехой» и демонстрирует силу объединения технологий и эволюции для улучшения природных процессов.

Уже сейчас кишечная палочка используется для создания синтетических версий полезных химических веществ, таких как инсулин и гормон роста человека. Майло говорит, что работа его команды может расширить продукты, которые могут производить бактерии, включая возобновляемое топливо, продукты питания и другие вещества. Но он не видит, что это скоро произойдет, пишет Nature.