Создан штамм бактерий, которые растут благодаря потреблению углекислого газа вместо сахара

Колонии Escherichia coli. Фото: Carlos Rosas по лицензии CC BY-NC-SA 2.0

Кишечную палочку (Escherichia coli) посадили на диету, и теперь эта лабораторная рабочая лошадка способна развиваться за счет углекислого газа. Как считают ученые, опубликовавшие свои исследования в Cell, это достижение является важным этапом науки. Ведь в будущем Escherichia coli может быть использована для получения углерода, который в свою очередь можно применять в качестве биотоплива или же для производства продуктов питания. Продукты, изготовленные таким образом, способствовали бы снижению выбросов, по сравнению с обычными методами производства, и даже потенциально могли бы удалять углекислый газ из воздуха.

Растения и фотосинтезирующие цианобактерии, производящие кислород, используют энергию света для преобразования или фиксации COв углеродсодержащие строительные блоки жизни, включая ДНК, белки и жиры. Но эти организмы очень сложно генетически модифицировать, что замедляет все усилия по превращению их в биологические фабрики.

В своей работе Мило и его команда сочетали генную инженерию и лабораторную эволюцию для создания штамма E. coli, которому достаточно лишь CO2 для получения достаточного количества углерода для себя Ecocosm

В отличие от них кишечная палочка E. coli относительно легко поддается инженерии, а благодаря ее стремительному росту все изменения можно быстро проверить и скорректировать для улучшения генетических изменений. Однако бактерия предпочитает расти на сахарах, таких как глюкоза, и вместо того, чтобы потреблять CO2, она выделяет газ в качестве отходов.

Последние 10 лет биолог из Израиля Рон Мило  и его команда изучают кишечную палочку. В 2016 году им удалось создать штамм, который поглощал углекислый газ, но это вещество составляло лишь часть потребления углерода организмом, основным же являлся пируват (пировиноградная кислота).

В своей последней работе Мило и его команда сочетали генную инженерию и лабораторную эволюцию для создания штамма E. coli, которому достаточно лишь CO2 для получения необходимого количества углерода для себя.

Сначала они внедрили кишечной палочке гены, кодирующие ферменты и позволяющие фотосинтетическим организмам преобразовывать COв органический углерод. Растениям и цианобактериям удается это преобразование благодаря свету, что невозможно для E. coli. Поэтому команда Мило ввела ген, который дает бактерии возможность получать энергию из органической молекулы, называемой формиатом (муравьиная кислота).

Image
Электронная микрофотография Escherichia coli, выращенной в культуре и наклеенной на покровное стекло. Фото: NIAID / Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний, Министерство здравоохранения и социальных служб США. Используется по лицензии CC BY 2.0

Несмотря на эти нововведения, бактерия отказывалась менять свою углеводную пищу на CO2. Для дальнейшей настройки штамма исследователи культивировали последующие поколения модифицированной E. coli в течение года, давая им CO2 в концентрациях примерно в 250 раз больше, чем в атмосфере Земли, и незначительное количество сахара. Они надеялись, что бактерии будут мутировать, чтобы приспособиться к новой диете. Примерно через 200 дней появились первые клетки, способные использовать CO2 в качестве единственного источника углерода, а через 300 дней эти бактерии росли быстрее в лабораторных условиях, чем те, которые не могли потреблять CO2. 

Кишечная палочка используется для производства синтетических версий инсулина и соматотропного гормона человека Ecocosm

Автотрофные штаммы E. coli все еще могут расти на сахаре, и этот источник энергии все равно останется предпочтительным, говорит Мило. По сравнению с обычной кишечной палочкой, которая может делиться каждые 20 минут, автотрофная делится каждые 18 часов при выращивании в атмосфере с 10%-м содержанием CO2.

Рон Мило и его команда пытаются понять механизм эволюции E. Coli, научивший ее питаться CO2: изменения только в 11 генах позволили бактериям переключиться. По словам Шерил Керфельд, биоинженера в Университете штата Мичиган в Восточном Лансинге и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли в Калифорнии, эта работа является «вехой» и демонстрирует силу объединения технологий и эволюции для улучшения природных процессов.

Уже сейчас кишечная палочка используется для производства синтетических версий инсулина и соматотропного гормона человека. Мило говорит, что работа его команды поможет расширить разнообразие того, что могут производить бактерии, включая возобновляемые виды топлива, продукты питания и другие вещества. Но произойдет это не завтра.