Bakterie rostoucí v laboratoři přecházejí na spotřebu oxidu uhličitého …

Několik měsíců vědci v Izraeli Escherichia coli kmeny, které spíše než organické sloučeniny spotřebovávají CO2 na energii. Tento úspěch v syntetické biologii zdůrazňuje neuvěřitelnou flexibilitu bakteriálního metabolismu a může poskytnout rámec pro budoucí uhlíkově neutrální biologickou produkci. Studie byla zveřejněna v časopise 27. listopadu. Buňka.

„Naším hlavním cílem bylo vytvořit životaschopnou vědeckou platformu, která by mohla zlepšit stabilizaci CO2 a pomoci řešit výzvy spojené s udržitelnou výrobou potravin a paliv a globálním oteplováním způsobeným emisemi CO2,“ říká hlavní autor Ron Milo. Od systémového biologa na Weizmann Institute of Science. “Transformace zdroje uhlíku.” E-coliBiotechnologický kůň od organického uhlíku po CO2 je důležitým krokem k vybudování takové platformy. “

Živý svět je rozdělen na autotrofy, které převádějí anorganický CO2 na biomasu, a heterotrofy, které spotřebovávají organické sloučeniny. Autotrofní organismy dominují biomase na Zemi a poskytují většinu naší potravy a paliva. Lepší porozumění principům autotrofního růstu a způsobům jeho zlepšení je zásadní na cestě k udržitelnosti.

Hlavní výzvou v syntetické biologii bylo vytvoření syntetické autotrofie v rámci heterotrofního modelu organismů. Navzdory širokému zájmu o skladování obnovitelné energie a udržitelnější produkci potravin minulé snahy navrhnout průmyslově relevantní heterotrofní modelové organismy, které by jako jediný zdroj uhlíku používaly CO2. Předchozí pokusy o zavedení autokatalytických smyček fixace CO2 v modelových heterotrofech vždy vyžadovaly přidání více uhlíkových organických látek, aby byl zajištěn stabilní růst.

“Ze základního vědeckého hlediska jsme chtěli zjistit, zda je v potravě bakterií možná tak významná transformace, od závislosti na cukru až po syntézu veškeré její biomasy z CO2,” říká první autor Shmuel Gleizer (@ GleizerShmuel), postdoktorand Weizmann Institute of Science. . “Kromě testování proveditelnosti takové transformace v laboratoři jsme chtěli vědět, jak extrémní adaptace je nutná pro změny ve vzorci bakteriální DNA.”

v Buňka Vědci k jeho transformaci použili metabolické vedení a laboratorní evoluci. E-coli v autotrofech. Inženýrský typ získává energii z formátu, který lze elektrochemicky vyrábět z obnovitelných zdrojů. Protože mravenčan je jediná organická sloučenina uhlíku, která neslouží jako zdroj uhlíku. E-coli růst nepřijímá heterotrofní dráhy. Vědci také navrhli kmen, aby produkoval nepřirozené enzymy pro fixaci a redukci uhlíku a energii ze sklizně z mravenčanu. Samotné tyto změny však nebyly dostatečné k podpoře autotrofie, protože E-coliMetabolismus je přizpůsoben heterotrofnímu růstu.

V rámci řešení této výzvy se vědci obrátili na adaptivní laboratorní evoluci jako nástroj pro metabolickou optimalizaci. Neutralizací hlavních enzymů zapojených do heterotrofního růstu způsobily, že bakterie byly více závislé na autotrofních drahách růstu. Aby blokovali heterotrofní dráhy, pěstovali buňky v chemostatech s omezeným množstvím xylózového cukru, zdroje organického uhlíku. Počáteční přísun xylózy po dobu přibližně 300 dnů byl nutný pro podporu dostatečné buněčné proliferace k zahájení evoluce. Chemostat také obsahoval velké množství mravenčanu a 10% atmosférického CO2.

V tomto prostředí existuje velká selektivní výhoda pro autotrofy, které produkují biomasu z CO2 jako jediného zdroje uhlíku, ve srovnání s heterotrofy, které se při svém růstu spoléhají na xylózu. Pomocí izotopového značení vědci potvrdili, že izolované vyvíjené bakterie jsou skutečně autotrofní, což znamená, že xylóza nebo jakákoli jiná organická sloučenina nepodporuje růst buněk a je to CO2.

“Aby byl celkový přístup k laboratorní evoluci úspěšný, museli jsme najít způsob, jak spojit požadovanou změnu chování buněk s výhodou fitness,” říká Milo. „Bylo to obtížné a vyžadovalo to hodně promyšleného a chytrého designu.“

Sekvenováním genomu a plazmidů vyvinutých autotrofních buněk vědci zjistili, že v chemostatu bylo evolučním procesem získáno pouze 11 mutací. Řada mutací ovlivnila geny kódující enzymy spojené s cyklem fixace uhlíku. Druhá kategorie sestávala z mutací nalezených v genech, které se zdály být mutovány v předchozích experimentech s adaptivní laboratorní evolucí, což naznačuje, že nemusí být nutně specifické pro autotrofní cesty. Třetí kategorie sestávala z mutací v genech bez známé role.

„Studie poprvé popisuje úspěšnou transformaci režimu růstu bakterií,“ říká Gleizer. Byla to dlouhá příležitost naučit bakterie ve střevech dělat triky, kterými jsou rostliny proslulé, “říká. “Když jsme zahájili proces řízené evoluce, neměli jsme tušení o našich šancích na úspěch a v literatuře neexistoval precedens, který by vedl nebo navrhoval proveditelnost takové extrémní transformace.” K uskutečnění tohoto přechodu je také nutné konečně vidět, jak malé množství je genetické změny. “

Autoři tvrdí, že hlavním omezením studie je, že spotřeba mravenců bakteriemi emituje více CO2, než je spotřebováno fixací uhlíku. Je také zapotřebí dalšího výzkumu, než bude možné diskutovat o škálovatelnosti přístupu pro průmyslové použití.

V budoucích studiích se vědci pokusí dodávat energii prostřednictvím obnovitelné elektřiny, určit, zda atmosférické podmínky v prostředí podporují autotrofii, a snížit mutace, které jsou nejdůležitější pro autotrofní růst, aby se vyřešil problém emisí CO2.

„Tento úspěch je silným důkazem koncepce, která otevírá vzrušující novou perspektivu používání bakterií určených k přeměně produktů, které považujeme za odpad, na palivo, potraviny nebo jiné související přísady,“ říká Milo. „Může také sloužit jako platforma pro lepší pochopení a zdokonalení molekulárních strojů, které jsou základem produkce potravin pro lidstvo, a tím v budoucnu pomůže zvýšit výnosy v zemědělství.“

Tuto práci podpořila Evropská rada pro výzkum, Israel Science Foundation, Beck-Canada Alternative Energy Research Center, Dana a Yossie Hollander, Helmsley Philanthropist Foundation, Larson Philanthropist Foundation, David Arthur Estate. Barton, Anthony Stalbow Charitable Trust a Stella Gelerman, Kanada. Autoři k článku vytvářejí prozatímní patent.