Такива бактерии могат в бъдеще да допринесат за нови, въглерод-ефективни технологии

здравеопазване

REHOVOT, ИЗРАЕЛ - 27 ноември 2019 г.—Бактериите в лабораторията на проф. Рон Мило от Научния институт Вайцман не просто са се заклели от захарта - те са спрели да ядат цялата си нормална твърда храна, съществуваща вместо това на въглероден диоксид (CO2) от тяхната среда. Тоест те са успели да изградят цялата си биомаса от въздуха. Този подвиг, който включваше почти десетилетие на рационален дизайн, генно инженерство и ускорена версия на еволюцията в лабораторията, беше докладван в Cell. Констатациите сочат към средства за разработване в бъдеще на въглерод-неутрални горива.

Изследването започна с идентифициране на решаващи гени за процеса на фиксиране на въглерода - начина, по който растенията поемат въглерод от CO2 с цел превръщането му в такива биологични молекули като протеин, ДНК и др. Изследователският екип добави и пренастрои необходимите гени и откри че много от „частите“ за машината, които вече са присъствали в бактериалния геном, могат да бъдат използвани такива, каквито са. Те също така вмъкнаха ген, който позволява на бактериите да получават енергия от лесно достъпно вещество, наречено формиат, което може да се произведе директно от електричество и въздух и което е способно да „предаде” електроните на бактериите.

Оказа се, че само даването на бактериите на „средства за производство“ не е достатъчно, за да могат те да превключат. Все още имаше нужда от друг трик, за да накараме бактериите да използват правилно тази машина и това включваше деликатен балансиращ акт. Заедно с Roee Ben-Nissan, Yinon Bar-On и други членове на екипа на проф. Майло в Департамента по растителни и екологични науки, д-р Шмуел Глейзер използва лабораторната еволюция, тъй като техниката е известна; по същество бактериите постепенно се отбиват от захарта, която са свикнали да ядат. На всеки етап култивираните бактерии получават точно толкова захар, че да ги предпазят от пълен глад, както и много CO2 и формиат. Тъй като някои се „научиха“ да развиват вкус към CO2 (което им дава еволюционно предимство пред онези, които се придържат към захарта), на потомците им се даваше все по-малко и по-малко захар, докато след около година адаптация към новата диета някои от тях в крайна сметка направиха пълно превключване, живеене и размножаване в среда, която обслужва чист CO2.

Изследователите преобразуват обичайната захарноядна (хетеротрофна) бактерия Е. coli (вляво), така че тя произвежда цялата си биомаса от CO2 (автотрофна), използвайки метаболитно инженерство, комбинирано с лабораторно развитие. Новата бактерия (център) използва съединението формиат като форма на химическа енергия, за да стимулира фиксирането на CO2 по синтетичен метаболитен път. Бактерията може да осигури инфраструктура за бъдещото производство на храни и зелени горива от възобновяеми източници (вдясно)

За да се провери дали бактериите по някакъв начин не са „хапвали“ други хранителни вещества, някои от еволюиралите Е. coli са били хранени с CO2, съдържащ тежък изотоп - C13. След това бактериалните части на тялото се претеглят и теглото, което са натрупали, се проверява спрямо масата, която ще се добави при яденето на по-тежката версия на въглерода. Анализът показа, че въглеродните атоми в тялото на бактериите са извлечени директно само от CO2.

След това изследователският екип се зае да характеризира новоразвитите бактерии. Какви промени бяха от съществено значение за адаптирането към тази нова диета? Докато някои от генетичните промени, които са идентифицирали, може да са свързани с оцеляването от глада, други изглежда регулират синхронизирането на стъпките за изграждане на градивни елементи чрез натрупване от CO2. „Клетката трябва да балансира между токсичната задръствания и фалита“, казва Bar-On. И все пак други промени, които екипът отбеляза, бяха свързани с транскрипцията - регулиране на това как се включват и изключват съществуващите гени. „Надяваме се, че по-нататъшните изследвания ще разкрият как точно тези гени са коригирали своята дейност“, казва Бен-Нисан.

Изследователите вярват, че новият „удар на здравето“ на бактериите в крайна сметка може да бъде здравословен за планетата. Проф. Майло посочва, че днес биотехнологичните компании използват клетъчни култури за производство на химически суровини. Такива клетки - дрожди или бактерии - могат да бъдат подтикнати да живеят на диета със СО2 и възобновяема електроенергия и по този начин да бъдат отбити от големите количества царевичен сироп, с който живеят днес. Бактериите биха могли да бъдат допълнително адаптирани, така че вместо да вземат енергията си от вещество като формиат, те биха могли да я получат право нагоре - да речем, електрони от слънчев колектор - и след това да съхраняват тази енергия за по-нататъшно използване като гориво във формата на въглерод, фиксиран в техните клетки. Такова гориво би било неутрално до въглерод, ако източникът на неговия въглерод е атмосферният CO2.

„Нашата лаборатория беше първата, която преследва идеята за промяна в диетата на нормален хетеротроф (този, който яде органични вещества), за да го превърне в автотрофизъм („ живот във въздуха “), казва проф. Мило. „В началото звучеше невъзможно, но ни даде много уроци по пътя и в крайна сметка показахме, че наистина може да се направи. Нашите открития са важен крайъгълен камък към нашата цел за ефективни, екологични научни приложения. "

Проф. Рон Майло е ръководител на Канадския център за изследвания на алтернативната енергия на Мери и Том Бек. Неговите изследвания се подкрепят от програмата за лидерство на Zuckerman STEM; благотворителната фондация Ларсън Фонд за нови учени; фондация „Семейство Улман“; Дана и Йоси Холандър; и Европейския изследователски съвет. Проф. Майло е заемащ длъжността професорски стол на Чарлз и Луиз Гартнер.

Нашите постижения

Научете повече за забележителните постижения на института Weizmann, които подобряват и трансформират живота ни.