Цианобактерии показали перспективность для производства биотехнологического сырья

Исследователи из Гарвардской медицинской школы создали фотосинтезирующую цианобактерию с повышенной выработкой сахара. Это первый шаг к потенциальному коммерческому производству биотоплива и других полезных в биотехнологии и промышленности углеродных соединений. Как производители сырья, цианобактерии имеют преимущества перед растениями, особенно наземными. Им нужно мало удобрений. Они не конкурируют с продовольственными культурами, так как могут расти на маргинальных землях. В коммерческих масштабах модифицированные цианобактерии потенциально могут производить в пять раз больше сахара с акра, чем традиционные культуры, включая сахарный тростник, говорит первый автор Дэниел Дукат. Исследование опубликовано в апрельском номере Applied and Environmental Microbiology.

Цианобактерии были вероятными кандидатами для производства сырья, потому что многие пресноводные виды накапливают сахарозу в солёной среде, говорит Дукат. Они делают это, чтобы снизить осмотическое давление, которое в противном случае обезвожило бы их. «Мы предположили, что этот естественный защитный механизм можно использовать как метод непрерывного производства сахара».

Но для поддержания непрерывного производства сахара нужен был механизм для его постоянного выведения. У бактерий много механизмов для перемещения ионов и соединений в клетку или из неё против осмотических градиентов. Дукат и коллеги выбрали пермеазу сахарозы, которую другие бактерии используют для извлечения сахарозы из окружающей среды. Поскольку химические градиенты между клеткой и средой у цианобактерий обратные, «мы предположили, что этот же транспортер может выводить сахарозу из фотосинтезирующих бактерий», — говорит Дукат.

Всё сработало, как ожидалось, и даже лучше. Цианобактерии, экспрессирующие транспортер сахарозы, выделяли её с постоянной скоростью, пока клетки были освещены для обеспечения фотосинтеза. Неожиданно скорость фотосинтеза у сахаровыделяющих цианобактерий вида Synechococcus elongatus оказалась выше нормы. «Они проявляют большую активность ферментов, участвующих в улавливании солнечного света — в частности, расщепляющего воду комплекса фотосистемы II — и способны фиксировать углекислый газ с более высокой скоростью, чем цианобактерии, не экспортирующие сахарозу», — говорит Дукат.

Кроме того, «Мы обнаружили, что уровень экспортируемой сахарозы у этих цианобактерий можно модулировать как концентрацией соли в культуре, так и генетическим фоном цианобактерий», — отмечает Дукат.

«Наши результаты являются хорошим доказательством принципа, что культуры цианобактерий можно использовать для производства биотехнологического сырья с высокой эффективностью», — говорит Дукат. Исследователи также показали, что произведённые сахара могут поддерживать рост дрожжей — организмов, используемых для производства биотоплива и других ценных соединений. «Следовательно, сахара, производимые цианобактериями, могут использоваться другими микробами без необходимости их сложной обработки», — говорит Дукат, — если процесс удастся масштабировать.

Это «если» немаловажно, отмечает Дукат. «Одной из основных проблем, с которой столкнулись некоторые более ранние попытки масштабирования при культивировании открытых каналов с водорослями, были конкурирующие виды микробов и хищники водорослей». Альтернатива — выращивать цианобактерии в полузакрытом реакторе. Тогда возникает вопрос стоимости, и «не так много хороших примеров больших, недорогих, полностью закрытых фотобиореакторов», — говорит он.

Но если масштабирование удастся, гораздо более высокая эффективность производства у водных организмов не так уж удивительна, особенно для коллеги Дуката по Гарварду, профессора лесоводства Мишель Холбрук. В статье в издании для выпускников Гарварда Colloquy несколько лет назад Холбрук объяснила, что наземный фотосинтез кажется крайне маловероятным, если изучить цифры. Концентрация CO₂ в атмосфере (0,038%) намного ниже, чем в воде. Растение должно удерживать огромные объёмы воздуха внутри листьев, чтобы получить достаточно CO₂, но обширные поверхности, используемые для поглощения CO₂, быстро теряют воду. Таким образом, через растение должно пройти примерно 500 молекул воды на каждую захваченную молекулу углекислого газа. «Если бы я превратил массу своего тела в листья подсолнуха, мне пришлось бы выпивать два литра каждые 30 секунд», — сказала она.

Результаты этого эксперимента поднимают неожиданные научные вопросы, говорит Дукат. Можно было бы подумать, что удаление сахарозы из модифицированных клеток сделает их менее приспособленными и, следовательно, менее продуктивными. Тот факт, что они могут повысить общую продуктивность, предполагает, что дикие клетки этого вида естественным образом не фиксируют углерод так быстро, как способны. Понимание механизмов, лежащих в основе этого, «может проложить путь к повышению эффективности фотосинтеза в целом», — говорит Дукат. «Мы изучаем механизмы, которые эти цианобактерии используют для обнаружения и повышения своей фотосинтетической активности».