Бактерии с функцией самоуничтожения улучшают производство возобновляемого биотоплива
Исследовательская группа из Университета штата Аризона разработала процесс, устраняющий ключевое препятствие для производства более дешёвого возобновляемого биотоплива. Учёные запрограммировали фотосинтезирующий микроорганизм на самоуничтожение, что упрощает и потенциально удешевляет извлечение высокоэнергетических жиров и их производных для биотоплива.
«Реальные затраты в любом производстве биотоплива — это сбор "полезностей" и превращение их в топливо, — сказал Рой Кёртисс, директор Центра инфекционных заболеваний и вакцинологии Института Biodesign. — Вся эта система, которую мы разработали, — способ "зелёного" извлечения материалов, не требующий энергозатратных физических или химических процессов».
Команда работала над оптимизацией фотосинтезирующих микробов — цианобактерий — как источника возобновляемого биотоплива. Эти микробы легко генетически модифицировать, и их потенциальная продуктивность выше, чем у любых растительных культур, используемых в качестве транспортного топлива.
Однако до сих пор извлечение жиров из микробов требовало множества затратных этапов обработки. Цианобактерии имеют многослойные защитные внешние мембраны, которые помогают им выживать даже в суровых условиях.
Чтобы заставить цианобактерии легче высвобождать свой ценный жирный груз, Кёртисс и постдокторант Синьяо Лю встроили в бактерии набор генов, активируемых добавлением следовых количеств никеля в питательную среду.
«Генетика — очень мощный инструмент. Мы создали очень гибкую систему, которой можем тонко управлять», — сказал Лю.
Гены были взяты у бактериального врага — бактериофага, который заражает бактерии и в конечном итоге убивает их, заставляя лопаться, как воздушный шар. Учёные использовали части бактериофагов, заражающих E. coli и сальмонеллу. После добавления никеля в питательную среду встроенные гены производили ферменты, которые медленно растворяли мембраны цианобактерий изнутри.
Это первый случай использования этой специализированной бактериальной системы в цианобактериях для их самоуничтожения. «Эта система, вероятно, уникальна», — сказал Кёртисс, который вместе с Синьяо Лю оформил патент на эту технологию.
Ключевой вклад также внесли профессор Школы наук о жизни Вим Вермаас (эксперт по генетическим манипуляциям с цианобактериями), Роберт Роберсон (помощь в просвечивающей электронной микроскопии) и Дэниел Брун (масс-спектрометрический анализ липидных продуктов).
Проект стал возможен благодаря стратегическим инвестициям штата Аризона для стимулирования инноваций. Обилие солнечного света и тёплый климат штата идеально подходят для выращивания цианобактерий.
«Это, вероятно, никогда бы не сдвинулось с места, если бы не финансирование от Science Foundation Arizona или BP», — сказал Кёртисс. Финансирование в размере $5 млн было ключевым для масштабирования и привлечения новых специалистов, включая первого автора статьи Синьяо Лю.
Следующий этап исследований финансируется двухлетним грантом в $5,2 млн от Министерства энергетики США (DOE) под руководством Вермааса, Кёртисса, Лю и других членов команды ASU.
Результаты опубликованы в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 7 декабря.