Микробы на свету стали супер-фабриками для химического синтеза
Исследователи из Университета Осаки совместно с Университетом Сидзуоки и Университетом Кобе нашли способ обойти необходимость деления клеточной энергии в биопроизводстве, чтобы пути синтеза целевых продуктов всегда получали больше ресурсов.
В исследовании, опубликованном в Metabolic Engineering, показано, что микроорганизмы можно модифицировать для использования света в качестве энергии, высвобождая клеточные ресурсы для производства целевых химических соединений.
Проблема и решение
Метаболически модифицированные микроорганизмы, такие как E. coli, используются для производства химикатов. Однако и рост клеток, и химический синтез требуют молекулы АТФ в качестве источника энергии, что ограничивает выход продукта.
Учёные предложили использовать внешний источник энергии — свет — чтобы повысить производство полезных веществ, не нарушая естественный метаболизм микроорганизмов.
Метод: светозависимая генерация АТФ
В E. coli был внедрён гетерологичный мембранный белок родопсин. Это насос, активируемый светом, действие которого приводит к генерации АТФ без использования естественных клеточных механизмов (цикла TCA и дыхательной цепи).
Этот подход также снижает выбросы углекислого газа — побочного продукта цикла TCA.
Результаты
- Клетки, экспрессирующие родопсин, производили значительно больше химических продуктов при воздействии света.
- Поток углерода в этих клетках был направлен от генерации энергии к химическому синтезу.
Концепция была успешно проверена на производстве различных соединений, включая 3-гидроксипропионат, мевалонат и глутатион.
Создание улучшенных штаммов
Исследователи создали три новых штамма E. coli:
- Штамм с супер-родопсинами, обладающими повышенной насосной активностью (разработан группой в Университете Осаки).
- Штамм с синтетической биологической системой, обеспечивающей внутренний запас ретиналя — активатора родопсина (разработан группой в Университете Кобе).
- Штамм с оптимизированной сбалансированной экспрессией множества генов в соответствующем метаболическом пути (разработан группой в Университете Кобе).
В итоге группа из Университета Сидзуоки интегрировала все эти системы в единый штамм E. coli, который производит химическое соединение светозависимым образом.
Перспективы
Новый подход позволит повысить эффективность производства полезных материалов с помощью ферментации и других биопроцессов, одновременно сокращая выбросы углерода.