Метаболический путь в цианобактериях может улучшить производство биотоплива и биопродуктов из фотосинтеза

Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США обнаружили, что метаболический путь, ранее считавшийся лишь предположительно функциональным у фотосинтезирующих организмов, на самом деле является основным и позволяет эффективно преобразовывать диоксид углерода в органические соединения.

Это открытие проливает новый свет на сложную метаболическую сеть утилизации углерода у цианобактерий и открывает путь к лучшим способам производства химических веществ из CO₂ или растительной биомассы, а не из нефти.

Исследование возглавили старший научный сотрудник NREL Цзяньпин Юй и научный сотрудник Вэй Сюн. Результаты опубликованы в онлайн-издании Nature Plants.

Открытие последовало за недавней работой с цианобактерией Synechocystis, которую ученые NREL модифицировали так, чтобы она могла метаболизировать ксилозу (основной сахарный компонент целлюлозной биомассы) и CO₂ в пируват и 2-оксоглутарат. При тестировании этого мутантного штамма ученые неожиданно обнаружили, что он выделяет большое количество уксусной кислоты.

«Это был большой сюрприз», — сказал Юй.

Промышленность производит более 12 миллионов тонн уксусной кислоты в год, в основном из метанола, который получают из природного газа. Возможность производить ее с помощью фотосинтеза может снизить зависимость от газа.

Исследователи не могли объяснить производство кислоты известными путями. Они предположили участие фермента фосфокетолазы. Начав с ранее изученной фосфокетолазы, ученые идентифицировали ген slr0453 как вероятный источник этого фермента в Synechocystis.

Следующим шагом было отключение этого гена. Его деактивация как в диком, так и в мутантном штаммах замедлила рост на свету (в условиях, зависящих только от усвоения CO₂ фотосинтезом), что показало роль гена в фотосинтетическом метаболизме углерода. Штаммы с отключенным геном не выделяли уксусную кислоту на свету в присутствии ксилозы.

Решающим доказательством стало то, что Synechocystis могла производить кислоту в темноте при питании сахарами, а штаммы с отключенным геном — нет. Исследователи обнаружили, что путь фосфокетолазы был единственно ответственным за производство кислоты в темноте и также вносил значительный вклад в метаболизм углерода на свету при подаче ксилозы.

«С точки зрения фундаментальной науки, это основной путь, который потенциально играет важную роль в регулировании преобразования фотосинтетической энергии», — сказал Юй.

Сюн затем количественно оценил вклад нового пути, используя изотопы углерода для отслеживания превращения ксилозы и CO₂. Результаты показали, что путь фосфокетолазы действительно обеспечивает значительную долю центрального метаболизма углерода.

«Оказывается, путь фосфокетолазы является основным в наших экспериментальных условиях», — сказал Юй. «И поскольку он позволяет избежать потерь углерода, связанных с традиционными путями, с его помощью можно более эффективно производить широкий спектр биопродуктов и биотоплива».

«В этом открытии важны два аспекта, — сказал Юй. — Во-первых, это важный собственный метаболический путь цианобактерии, роль которого ранее не изучалась. Во-вторых, этот путь эффективнее традиционных, поэтому его можно использовать для повышения продуктивности фотосинтеза».