Дайте им ксилозу: дрожжи, эффективно растущие на новом питательном веществе
Исследователи из Университета Тафтса создали генетически модифицированные дрожжи, которые могут эффективнее потреблять новый для них питательный сахар — ксилозу. Это позволяет дрожжам расти быстрее и достигать более высокой плотности клеток, что открывает путь к более быстрому созданию синтетических организмов для промышленных применений. Исследование опубликовано в Nature Communications.
В синтетической биологии организмы, такие как бактерии или дрожжи, можно превратить в "мини-фабрики", которые, потребляя питательные вещества, производят широкий спектр продуктов — от фармацевтических препаратов до промышленных химикатов и биотоплива. Однако ключевой проблемой остается эффективное превращение доступного сырья в конечный продукт, особенно если это сырье не является естественной пищей для организма.
В данном исследовании ученые отметили, что обычные подходы к модификации организмов для постоянного (без "выключателя") потребления новых питательных веществ могут приводить к неэффективности. Это происходит, когда метаболические пути переработки питательного вещества не связаны с нижестоящими путями, отвечающими за стресс-реакции, рост клеток и другие важные для здоровья организма функции.
Используя другой подход, исследователи взяли набор регуляторных генов, называемый GAL-регулоном, который в норме перерабатывает галактозу — любимый дрожжами сахар — и заменили часть генов на те, которые активируются ксилозой и направляют ее расщепление. Все остальные гены в GAL-регулоне остались неизменными. Таким образом, они сохранили более естественное взаимодействие между генами, управляющими питанием, и генами, отвечающими за выживание. Новый синтетический регулон, названный XYL, позволил дрожжевым клеткам расти быстрее и достигать более высокой плотности.
"Вместо того чтобы строить метаболическую систему с нуля, мы можем обратно сконструировать существующие регулоны, чтобы организм мог процветать на новом питательном веществе. Адаптация нативных регулонов может быть значительно более быстрым путем к созданию новых синтетических организмов для промышленных применений", — сказал Нихил У. Наир, доктор философии, доцент химической и биологической инженерии в Тафтсе и автор-корреспондент исследования.
Одним из таких применений является производство этанола в качестве биотоплива. Возникают опасения, что использование значительной части сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, для производства биотоплива может негативно сказаться на доступности и стоимости продовольствия. Однако ксилоза — это сахар, получаемый из неперевариваемых частей растительного материала. Способность ферментировать ксилозу может стать путем к производству биотоплива, не конкурирующего с продовольственным снабжением.
В рамках исследования команда Наира также выяснила, что именно обеспечило улучшенную выживаемость дрожжей, потребляющих ксилозу. Они обнаружили, что в дрожжах, контролируемых XYL-регулоном, активируются многочисленные гены, усиливающие пути, связанные с ростом: поддержание клеточной стенки, деление клеток, биогенез митохондрий и производство аденозинтрифосфата (ATP). В то же время штаммы дрожжей с постоянным (в основном нерегулируемым) контролем метаболизма ксилозы активировали пути, связанные с клеточным стрессом, голоданием и повреждением ДНК.
"Наше исследование применило этот подход к ксилозе, но оно указывает на более широкий принцип — адаптацию нативных регулонов для эффективного усвоения других неродных сахаров и питательных веществ. Природа уже проделала работу по настройке генов и метаболических путей под среду организма. Давайте использовать это, когда вводим что-то новое в меню", — сказал Наир.