Бактерии для климатически нейтральных химикатов будущего
Исследователи из ETH Zurich создали в лаборатории бактерии, эффективно использующие метанол. Теперь их метаболизм можно использовать для производства ценных продуктов, которые химическая промышленность в настоящее время производит из ископаемого топлива.
Для производства различных химических веществ, таких как пластмассы, красители или искусственные ароматизаторы, химическая промышленность в значительной степени зависит от ископаемых ресурсов, таких как нефть. «Во всем мире она потребляет 500 миллионов тонн в год, или более одного миллиона тонн в день», — говорит Юлия Форхольт, профессор Института микробиологии ETH Zurich.
«Поскольку эти химические превращения энергоемки, реальный углеродный след CO2 химической промышленности еще в 6–10 раз больше, составляя около пяти процентов от общих мировых выбросов». Она и ее команда ищут способы уменьшить зависимость химической промышленности от ископаемого топлива.
Зеленый метанол
В центре этих усилий — бактерии, питающиеся метанолом, известные как метилотрофы. Метанол, содержащий всего один атом углерода, является одной из простейших органических молекул и может быть синтезирован из парникового газа диоксида углерода и воды. Если энергия для этой реакции синтеза поступает из возобновляемых источников, метанол называют «зеленым».
«Существуют природные метилотрофы, но их промышленное использование остается трудным, несмотря на значительные исследовательские усилия», — говорит Михаэль Райтер, постдок в исследовательской группе Форхольт, которая вместо этого работает с биотехнологически хорошо изученной модельной бактерией Escherichia coli. Команда Форхольт уже несколько лет претворяет в жизнь идею наделить эту модельную бактерию, растущую на сахаре, способностью метаболизировать метанол.
Полная перестройка метаболизма
«Это серьезная задача, поскольку требует полной перестройки клеточного метаболизма», — говорит Форхольт. Изначально исследователи смоделировали это изменение с помощью компьютерных моделей. На основе этих симуляций они выбрали два гена для удаления и три новых гена для внедрения. «В результате бактерии могли усваивать метанол, хотя и в небольших количествах», — говорит Райтер.
Они продолжали выращивать бактерии в специальных условиях в лаборатории более года, пока микробы не смогли производить все клеточные компоненты из метанола. В течение примерно 1000 последующих поколений эти синтетические метилотрофы становились все более эффективными, в конечном итоге удваиваясь каждые четыре часа при питании только метанолом. «Улучшенная скорость роста делает бактерии экономически интересными», — говорит Форхольт.
Оптимизация через потерю функции
Как описывает команда Форхольт в своей статье в Nature Catalysis, за повышение эффективности утилизации метанола ответственны несколько случайно возникших мутаций. Большинство из этих мутаций привели к потере функции различных генов.
На первый взгляд это удивительно, но при ближайшем рассмотрении становится очевидно, что клетки могут экономить энергию благодаря потере функции генов. Например, некоторые мутации приводят к нарушению обратных реакций важных биохимических процессов. «Это отменяет излишние химические превращения и оптимизирует метаболический поток в клетках», — пишут исследователи.
Чтобы изучить потенциал синтетических метилотрофов для биотехнологического производства промышленно значимых крупнотоннажных химикатов, Форхольт и ее команда снабдили бактерии дополнительными генами для четырех различных биосинтетических путей. В своем исследовании они показывают, что бактерии действительно производили желаемые соединения во всех случаях.
Универсальная производственная платформа
Для исследователей это явное доказательство того, что их модифицированные бактерии могут оправдать первоначальные ожидания: микробы представляют собой своего рода высокоуниверсальную производственную платформу, в которую по принципу «plug-and-play» можно вставлять модули биосинтеза, заставляя бактерии превращать метанол в желаемые биохимические вещества.
Однако исследователям еще предстоит значительно повысить выход и производительность, чтобы сделать использование бактерий экономически жизнеспособным. Форхольт и ее команда недавно получили инновационный фонд, «чтобы дальше развивать планы в сторону приложений и выбрать продукты, на которых сосредоточиться в первую очередь», — говорит Форхольт.
Когда Райтер говорит об оптимизации выращивания бактерий в биореакторах, он полон энтузиазма. «Учитывая проблемы изменения климата, очевидно, что необходимы альтернативы ископаемым ресурсам», — говорит он.
«Мы разрабатываем технологию, которая не выбрасывает дополнительный CO2 в атмосферу», — говорит Райтер. И поскольку синтетическим метилотрофам, кроме зеленого метанола, не требуется никаких дополнительных источников углерода для роста и продукции, они позволяют «производить возобновляемые химические вещества, которые не обременяют окружающую среду».