Понимание метаболизма бактерий может улучшить производство биотоплива
Новое исследование раскрывает, как бактерии контролируют химические вещества, производимые при потреблении «пищи». Это понимание может привести к созданию организмов, более эффективно преобразующих растения в биотопливо.
Исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Риверсайде и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, опубликовано в Journal of the Royal Society Interface.
Авторы описывают математическое и компьютерное моделирование, алгоритмы искусственного интеллекта и эксперименты, показывающие, что клетки имеют предохранительные механизмы, предотвращающие выработку слишком большого количества метаболических промежуточных продуктов.
Метаболические промежуточные продукты — это химические вещества, которые связывают каждую реакцию друг с другом в метаболизме. Ключевую роль в этих механизмах контроля играют ферменты, ускоряющие химические реакции, участвующие в биологических функциях, таких как рост и производство энергии.
«Клеточный метаболизм состоит из множества ферментов. Когда клетка сталкивается с пищей, фермент расщепляет ее на молекулу, которую может использовать следующий фермент и так далее, в конечном итоге генерируя энергию», — пояснил соавтор исследования, адъюнкт-профессор математики UCR и вычислительный ученый Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Уильям Кэннон.
Ферменты не могут производить чрезмерное количество метаболитов. Они производят количество, контролируемое тем, сколько этого продукта уже присутствует в клетке.
«Таким образом, концентрации метаболитов не становятся настолько высокими, что жидкость внутри клетки становится густой и липкой, как патока, что может привести к гибели клетки», — сказал Кэннон.
Одним из барьеров для создания биотоплива, конкурентоспособного по стоимости с нефтью, является неэффективность преобразования растительного материала в этанол. Обычно бактерии E. coli генетически модифицируют для расщепления лигнина, прочной части клеточных стенок растений, чтобы его можно было ферментировать в топливо.
Соавтор исследования, выдающийся профессор математики UCR Марк Альбер отметил, что эта работа является частью проекта по пониманию того, как бактерии и грибы совместно влияют на корни растений, выращиваемых для производства биотоплива.
«Одна из проблем при конструировании бактерий для биотоплива заключается в том, что в большинстве случаев этот процесс просто делает бактерии больными», — сказал Кэннон. «Мы заставляем их сверхэкспрессировать белки, и им становится некомфортно — они могут умереть. То, что мы узнали в этом исследовании, может помочь нам конструировать их более разумно».
Знание того, какие ферменты необходимо предотвратить от перепроизводства, может помочь ученым создавать клетки, которые производят больше желаемого и меньше ненужного.
В исследовании использовалась математическая теория управления, которая изучает, как системы контролируют себя, а также машинное обучение для прогнозирования, какие ферменты необходимо контролировать, чтобы предотвратить чрезмерное накопление метаболитов.
Хотя это исследование было сосредоточено на центральном метаболизме, генерирующем энергию клетки, в будущем команда планирует изучить другие аспекты метаболизма клетки, включая вторичный метаболизм (как производятся белки и ДНК) и взаимодействия между клетками.
«Я работал в лаборатории, которая делала это вручную, и уходили месяцы, чтобы понять, как регулируется один конкретный фермент», — сказал Кэннон. «Теперь, используя эти новые методы, это можно сделать за несколько дней, что невероятно интересно».
Министерство энергетики США, стремящееся диверсифицировать источники энергии страны, профинансировало этот трехлетний исследовательский проект грантом в размере 2,1 миллиона долларов.
Проект также является частью более широких инициатив в рамках нового Междисциплинарного центра количественного моделирования в биологии UCR.
Хотя этот проект был сосредоточен на метаболизме бактерий, способность понять, как клетки регулируют и контролируют себя, также может помочь в разработке новых стратегий борьбы с болезнями.
«Мы сосредоточены на бактериях, но эти же биологические механизмы и методы моделирования применимы к человеческим клеткам, которые вышли из-под контроля, что происходит, например, при раке», — сказал Альбер. «Если мы действительно хотим понять, почему клетка ведет себя так, а не иначе, мы должны понять это регулирование».