Первый шаг к синтетической фиксации углекислого газа в живых клетках

Синтетическая биология позволяет создавать биохимические пути для улавливания и преобразования диоксида углерода (CO₂). Исследователи из Института наземной микробиологии Макса Планка разработали синтетический биохимический цикл, который напрямую превращает CO₂ в центральный строительный блок ацетил-КоА.

Ученым удалось внедрить каждый из трех модулей цикла в бактерию E. coli, что является важным шагом на пути к реализации синтетических путей фиксации CO₂ в живых клетках.

Разработка новых способов улавливания и преобразования CO₂ имеет ключевое значение для борьбы с климатическим кризисом. Синтетическая биология открывает возможности для создания новых, не существующих в природе путей фиксации CO₂, которые работают эффективнее естественных.

Однако реализация таких путей в различных системах in vitro и in vivo остается фундаментальной проблемой. Группа Тобиаса Эрба спроектировала и создала новый синтетический путь фиксации CO₂ — так называемый цикл THETA.

Он содержит несколько центральных метаболитов в качестве промежуточных продуктов, а его конечным продуктом является центральный строительный блок ацетил-КоА. Эта особенность позволяет разделить цикл на модули и интегрировать его в центральный метаболизм E. coli.

Весь цикл THETA включает 17 биокатализаторов и построен вокруг двух самых быстрых из известных на сегодня ферментов фиксации CO₂: кротонил-КоА-карбоксилазы/редуктазы и фосфоенолпируват-карбоксилазы.

Исследователи обнаружили эти мощные ферменты у бактерий. Хотя каждая из этих карбоксилаз может улавливать CO₂ более чем в десять раз быстрее, чем RubisCO (фермент фиксации CO₂ в хлоропластах), эволюция не объединила эти эффективные ферменты в естественном фотосинтезе.

Цикл THETA превращает две молекулы CO₂ в одну молекулу ацетил-КоА за один оборот. Ацетил-КоА — центральный метаболит почти во всех клеточных процессах и строительный блок для множества жизненно важных биомолекул, включая биотопливо, биоматериалы и фармацевтические препараты, что делает его соединением, представляющим большой интерес для биотехнологий.

После сборки цикла в пробирках исследователи подтвердили его функциональность. Затем началась "тренировка": с помощью рациональной оптимизации и оптимизации под руководством машинного обучения за несколько раундов экспериментов команде удалось увеличить выход ацетил-КоА в 100 раз.

Для проверки возможности работы цикла in vivo его внедрение в живую клетку проводилось поэтапно. Для этого исследователи разделили цикл THETA на три модуля, каждый из которых был успешно внедрен в бактерию E. coli. Функциональность модулей была подтверждена с помощью отбора, связанного с ростом, и/или изотопного мечения.

"Особенность этого цикла в том, что он содержит несколько промежуточных продуктов, которые служат центральными метаболитами в метаболизме бактерии. Это совпадение дает возможность использовать модульный подход для его внедрения", — объясняет Шаньшань Ло, ведущий автор исследования.

"Мы смогли продемонстрировать функциональность трех отдельных модулей в E. coli. Однако нам еще не удалось замкнуть весь цикл так, чтобы E. coli могла полностью расти за счет CO₂", — добавляет она. Замыкание цикла THETA остается серьезной проблемой, поскольку все 17 реакций необходимо синхронизировать с естественным метаболизмом E. coli, который включает сотни и тысячи реакций.

Однако демонстрация всего цикла in vivo — не единственная цель. "Наш цикл имеет потенциал стать универсальной платформой для производства ценных соединений непосредственно из CO₂ путем расширения его конечной молекулы, ацетил-КоА", — говорит Шаньшань Ло.

"Внедрение частей цикла THETA в живые клетки — важное доказательство принципа для синтетической биологии", — добавляет Тобиас Эрб. "Такое модульное внедрение этого цикла в E. coli прокладывает путь к реализации высокосложных, ортогональных, новых для природы путей фиксации CO₂ в клеточных фабриках. Мы учимся полностью перепрограммировать клеточный метаболизм, чтобы создать для клетки синтетическую автотрофную операционную систему".

Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.