Групі ізраїльських вчених з Науково-дослідного інституту ім. Вейцмана вдалося «примусити» бактерію кишкової палички споживати вуглекислий газ. Як стверджують дослідники, потенційно це дозволить створювати біофабрики, які перетворюватимуть його на органічні вуглецеві речовини, які можна буде використовувати у якості палива чи навіть їжі.
Про це пише Nature з посиланням на відповідну наукову публікацію, розміщену у Cell.
Чому кишкова паличка?
Рослини та фотосинтетичні ціанобактерії (водні мікроби, що виробляють кисень) здатні із використанням енергії від світла утворювати з вуглекислого газу «будівельні блоки життя», такі як ДНК, білки та жири. Але генетична модифікація цих організмів є складним завданням, яке б значно вповільнило зусилля науковців з перетворення їх на «біологічні заводи».
Натомість кишкова паличка (Escherichia coli або E. coli) порівняно просто видозмінюється шляхом біоінженерії, а також швидко зростає, що дозволяє перевірити результат змін невдовзі після їх внесення. Ці фактори зробили дану бактерію одним з найпопулярніших модельних організмів у біології.
Типовими «харчами» кишкової палички є цукри, на кшталт глюкози, а вуглекислий газ організм продукує та викидає як відходи. Проте, вчені поставили перед собою завдання це змінити.
Наша лабораторія була першою, хто переслідував ідею змінити раціон нормального гетеротрофа (організма, який споживає органічні речовини) на автотрофізм (отримання органічних молекул з неорганічних — ред.)
— проф. Рон Міло, очільник лабораторії
Що було зроблено?
Команда ізраїльського системного біолога Рона Міло останнє десятиріччя працювала над зміною «раціону» кишкової палички. У 2016 році науковцям вдалося створити штам бактерії, який споживав CO2, проте з вуглекислого газу E. coli отримувала лише частину необхідного їй вуглецю. Решта надходила зі спеціальної органічної сполуки, якою «годували» організм.
У своїй останній роботі дослідники наділили бактерію генами, які кодують пару ферментів, що дозволяють фотосинтетичним організмам перетворювати вуглекислий газ на органічні вуглецеві сполуки. У рослинах та ціанобактеріях такий процес зазвичай живиться за допомогою енергії від світла, проте у випадку кишкової палички це було неможливо. Натомість команда Міло наділила бактерію геном, що дозволяє їй отримувати енергію з легкодоступної органічної речовини під назвою форміат (formate).
Однак виявилося, що просто надати бактеріям «засоби виробництва» недостатньо: навіть із цими доповненнями E. coli відмовилася споживати CO2 замість цукру. Щоб виправити ситуацію, дослідники протягом року культивували наступні покоління модифікованої кишкової палички, даючи їм лише невелику кількість цукру та вуглекислий газ у концентраціях, що приблизно в 250 разів перевершують атмосферні.
Вчені сподівалися, що це підштовхне бактерії до мутації задля адаптації до нових життєвих умов. Приблизно через 200 днів з’явилися перші клітини, здатні використовувати вуглекислий газ як єдине джерело вуглецю. А за 300 днів ці бактерії у лабораторних умовах перевершили за швидкістю росту своїх родичів, які не могли споживати CO2.
Спершу це звучало неможливим, проте на цьому шляху ми багато чому навчилися і врешті решт ми продемонстрували, що це справді можливо зробити
— проф. Рон Міло, очільник лабораторії
Що далі?
Створений дослідниками штам кишкової палички у атмосфері з 10% вмістом CO2 може ділитися кожні 18 годин, у той час як звичайна E. coli поділяється кожні 20 хвилин. Також організм не може жити без цукру в умовах атмосфери Землі, де концентрація вуглекислого газу становить близько 0,041%. Команда планує спрямувати свої зусилля на те, щоб змусити свої бактерії рости швидше та жити на нижчих рівнях CO2.
Ще одна проблема полягає у тому, що отриманий штам наразі продукує більше вуглекислого газу, ніж засвоює. Це пов’язано із тим, що хімічна речовина, використовувана у якості джерела енергії, окиснюється до CO2 швидше, ніж цей газ споживається бактерією. Втім, згодом вчені сподіваються «змусити» E. coli отримувати енергію з відновлювального джерела.
Також Міло з колегами намагатимуться зрозуміти, як кишкова паличка еволюціонувала до споживання вуглекислого газу. Наразі науковцям вдалося встановити, що для цього знадобилися зміни в одинадцяти генах, тепер їм належить з’ясувати, як саме це призвело до зміни організму.
Наші результати є важливою віхою для досягнення нашої мети: ефективних, зелених наукових застосувань
— проф. Рон Міло, очільник лабораторії
На сьогоднішній день кишкові палички вже використовуються для виготовлення синтетичних версій корисних хімічних речовин, таких як інсулін та людський гормон росту. За словами Рона Міло, робота його команди здатна розширити перелік продукції, яку можуть виробляти бактерії, додавши до нього відновлювані види палива, продукти харчування та інші речовини. Однак, як зауважив дослідник, ми навряд чи побачимо це найближчими роками.
Нагадаємо, раніше було створено мікроскопічний записуючий пристрій усередині живої бактерії.