Решение сладкой проблемы для возобновляемых биотоплив и химикатов
Исследователи из Университета штата Аризона (ASU) Рида Картрайта и Сюань Вана использовали эволюцию в лабораторных условиях, чтобы преодолеть ключевое препятствие в производстве биотоплив из непищевого растительного сырья. Их работа опубликована в PNAS.
Сладкая проблема
Лингоцеллюлозная биомасса (несъедобные части растений, например, солома) богата двумя сахарами: глюкозой и ксилозой. Однако промышленные штаммы бактерий E. coli не могут эффективно использовать ксилозу в присутствии глюкозы, что делает процесс переработки сырья неэффективным и дорогим.
Эволюция на лабораторном столе
Ученые заставили E. coli, привыкшую к глюкозе, адаптироваться к росту исключительно на ксилозе. В трех независимых экспериментах бактерии, начав с медленного роста, всего за 150 поколений научились процветать на новой среде.
Анализ ДНК показал, что в каждом случае бактерии «нашли» разные мутации в одних и тех же генах, связанных с метаболизмом сахаров. Это указывает на множественные эволюционные решения одной проблемы.
Природа находит путь
Наиболее интересная мутация произошла в регуляторном белке XylR, который контролирует использование ксилозы. Всего две аминокислотные замены в XylR не только улучшили утилизацию ксилозы, но и сняли «глюкозное подавление».
Когда этот мутантный XylR внедрили обратно в исходный «дикий» штамм или промышленный штамм-биокатализатор, бактерии получили способность одновременно использовать и глюкозу, и ксилозу. Это привело к увеличению выхода продукта на 50% после 4 дней ферментации.
Перспективы
Изобретение значительно повышает потенциал промышленных штаммов E. coli для производства биотоплив и химикатов из лигноцеллюлозных материалов. Этот генетический подход можно применить и к другим штаммам для получения различных продуктов.
На открытие подается патент. Исследователи надеются на партнерство с промышленностью для масштабирования технологии.
«С этими новыми результатами, я верю, мы решили одну большую, постоянную проблему в этой области», — заключил Ван.