Биопроспектинг неизвестного: как бактериальные ферменты из неизученных генов могут помочь в очистке от загрязнений

Ферменты — это биологические наномашины, которые обеспечивают почти всю химию жизни. Их универсальность и мощность делают их ценными для биотехнологий: вне живых клеток их можно использовать для синтеза лекарств или разложения загрязнителей.

Бактерии содержат гены, кодирующие невообразимое множество ферментов. Однако учёные едва начали изучать этот потенциал, потому что 99% бактерий невозможно вырастить в лаборатории.

Наша команда подошла к проблеме, рассматривая всю бактериальную ДНК в почве — представляющую тысячи видов — как «генетическое программное обеспечение». В новом исследовании, опубликованном в Cell Chemical Biology, мы показали, как можно перенести это ПО в лабораторные штаммы бактерий, отобрать новые полезные функции и выделить ответственные за них ферменты.

Открытие новых ферментов

Более века учёные собирали образцы почвы, культивировали бактерии и находили применение их ферментам. Однако с развитием технологий секвенирования ДНК на рубеже тысячелетий стало ясно, что стандартные методы культивирования пропускают большинство присутствующих бактерий.

Оказалось, что в грамме почвы, из которого обычно можно вырастить менее 100 видов микробов, на самом деле содержатся тысячи. Эти же технологии показали, что трудно культивируемые бактерии содержат множество генов с полностью неизвестной функцией. Некоторые из этих «генов-загадок» могут помочь решить серьёзные проблемы.

Гены — это пассивные единицы информации, «куски кода» в жёстком диске живой клетки. Когда информация активируется, результатом становится производство белков, большинство из которых — ферменты. Они действуют как наноразмерные катализаторы химии в клетке.

Фермент может выполнять основную работу, внося очевидный вклад в благополучие клетки, но также способен делать десяток других второстепенных вещей, ценность которых неочевидна. Эти побочные «халтуры» очень важны для эволюции: функция, не имеющая значения сегодня, может стать критической в будущем при появлении нового стресса.

Наша команда изучает эволюционный потенциал «неизвестных неизвестных» ферментов из почвенных бактерий для решения важных проблем, сотрудничая с командой Living Pā для сбора образцов почвы.

Применение ферментов для решения проблем

Один из негативных результатов эволюции — бактерии часто содержат ферменты, обеспечивающую низкий уровень защиты от новых антибиотиков. При чрезмерном или неправильном использовании антибиотиков бактерии могут усилить эту защитную функцию. Так развивается полная антибиотикорезистентность — серьёзная проблема, от которой ежегодно умирают миллионы людей.

Мы изучаем, как возникает устойчивость к новым перспективным антибиотикам, чтобы заранее разработать контрмеры. Но нас также интересует, как неизвестные ферменты из неизученных генов могут быть полезны (или эволюционировать для пользы) в защите окружающей среды — например, для переработки пластика или очистки от стойких загрязнителей.

Наша последняя работа — прорыв в разработке методов изучения миллионов неизвестных генов из образцов почвы.

Методология

Наш подход начинается с извлечения всей бактериальной ДНК из почвы и её фрагментации на «кусочки», содержащие один-два гена. Затем мы помещаем их в специальную систему-носитель для введения в лабораторную бактерию Escherichia coli.

Наша инновация — в том, как мы получаем доступ к информации в новых генах. По аналогии: программное обеспечение Android обычно не работает на операционных системах Apple. Представьте, что существует не несколько несовместимых ОС, а тысячи. С такой проблемой мы столкнулись.

Мы «загрузили» обычный лабораторный штамм E. coli новым ПО, которое обычно было бы полностью несовместимо. Но мы разработали универсальный эмулятор, позволяющий E. coli запускать большую часть нового ПО.

Затем мы отбираем отдельные бактерии E. coli, которые приобрели интересующие нас новые свойства — например, способность разлагать целевые загрязнители. Хотя ответственные за это ферменты изначально могут быть не очень эффективны, имитация естественных эволюционных процессов в лаборатории позволяет улучшить низкую стартовую активность до промышленно полезного уровня.

Поскольку ферменты — неживые, биоразлагаемые и не могут самовоспроизводиться, они предлагают безопасные и контролируемые решения для множества проблем, если мы сможем найти те, что справятся с задачей.