Бактерии, эволюционировавшие в лаборатории, перешли на питание CO₂

Исследователи из Израиля за несколько месяцев создали штаммы Escherichia coli, которые потребляют CO₂ для получения энергии вместо органических соединений. Это достижение в синтетической биологии демонстрирует невероятную пластичность бактериального метаболизма и может стать основой для будущего углеродно-нейтрального биопроизводства. Работа опубликована 27 ноября в журнале Cell.

Основной целью было создание удобной научной платформы для улучшения фиксации CO₂, что может помочь в решении проблем устойчивого производства пищи и топлива, а также глобального потепления, вызванного выбросами CO₂. Преобразование источника углерода для E. coli — «рабочей лошадки» биотехнологий — с органического углерода на CO₂ является важным шагом к созданию такой платформы.

Грандиозной задачей в синтетической биологии было создание синтетического автотрофного организма на основе модельного гетеротрофа. В новом исследовании учёные использовали метаболическое перепрограммирование и лабораторную эволюцию, чтобы превратить E. coli в автотрофов.

Сконструированный штамм получает энергию из формиата, который можно производить электрохимическим путём из возобновляемых источников. Исследователи также внедрили в штамм гены неродных ферментов для фиксации и восстановления углерода, а также для получения энергии из формиата. Однако этих изменений было недостаточно для поддержания автотрофии.

Чтобы преодолеть эту проблему, учёные использовали адаптивную лабораторную эволюцию в качестве инструмента метаболической оптимизации. Они инактивировали ключевые ферменты, участвующие в гетеротрофном росте, сделав бактерии более зависимыми от автотрофных путей. Клетки выращивали в хемостатах с ограниченным запасом ксилозы — источника органического углерода — чтобы подавить гетеротрофные пути. Начальный запас ксилозы в течение примерно 300 дней был необходим для поддержания достаточной пролиферации клеток, чтобы запустить эволюцию. Хемостат также содержал много формиата и атмосферу с 10% CO₂.

В такой среде автотрофы, производящие биомассу из CO₂ как единственного источника углерода, имеют большое селективное преимущество перед гетеротрофами. С помощью изотопного мечения исследователи подтвердили, что эволюционировавшие изолированные бактерии были действительно автотрофными.

Секвенирование генома и плазмид автотрофных клеток показало, что в процессе эволюции в хемостате было приобретено всего 11 мутаций. Один набор мутаций затронул гены, кодирующие ферменты, связанные с циклом фиксации углерода.

Авторы отмечают, что серьёзным ограничением исследования является то, что потребление формиата бактериями приводит к выделению большего количества CO₂, чем потребляется в процессе фиксации углерода. Для промышленного применения потребуются дополнительные исследования.

В будущей работе исследователи планируют снабжать энергией с помощью возобновляемой электроэнергии, чтобы решить проблему выделения CO₂, проверить, могут ли атмосферные условия поддерживать автотрофию, и определить наиболее важные мутации для автотрофного роста.

Это достижение является убедительным доказательством концепции, открывающим новые перспективы использования инженерных бактерий для преобразования отходов в топливо, пищу или другие полезные соединения. Оно также может служить платформой для лучшего понимания и улучшения молекулярных механизмов, лежащих в основе производства пищи для человечества.