Использование цианобактерий для преобразования углекислого газа в глюкозу

Глюкоза (C₆H₁₂O₆) — самый распространенный моносахарид, служащий ключевым источником энергии для клеток и важным сырьем для биоперерабатывающей промышленности. Основной путь её получения сегодня — из сахаров растительной биомассы, но он зависит от многих факторов: циклов выращивания растений, радиуса сбора биомассы и стоимости предварительной обработки.

На фоне глобального климатического кризиса и усиления нехватки продовольствия необходимы более эффективные, непрерывные и промышленные пути производства глюкозы. Однако прямое преобразование CO₂ в глюкозу через естественный процесс фотосинтеза долгое время не имело прорыва.

Исследовательская группа под руководством профессоров Лу Сюэфэна и Луань Годона из Института биоэнергетики и биопроцессов в Циндао (QIBEBT) Китайской академии наук (CAS) определила ключевые факторы, ограничивающие природный потенциал цианобактерий для прямого преобразования CO₂ в глюкозу, и создала эффективные фотосинтезирующие клеточные фабрики для её синтеза. Исследование опубликовано в Nature Communications 9 июня.

У фотоавтотрофов (высших растений и водорослей) глюкоза синтезируется как запас углерода и энергии. Её метаболизм имеет сложное взаимодействие с фотосистемами, нарушает синтез и метаболизм пигментов и может даже подавлять фотосинтетическую активность. Поэтому свободная глюкоза редко синтезируется или накапливается в избытке в метаболизме фотосинтезирующих клеток.

Команда использовала цианобактерию Synechococcus elongatus PCC 7942 в качестве основы и определила, что активность нативной глюкокиназы является узким местом, ограничивающим метаболический потенциал для синтеза глюкозы.

Целенаправленное выключение двух генов глюкокиназы нарушило метаболизм углеводов и активировало метаболический поток к глюкозе через сеть метаболизма сахарозы. Усиленный синтез глюкозы способствовал закреплению спонтанной геномной мутации в хромосоме PCC 7942, которая облегчает эффективную секрецию глюкозы.

«Эти результаты подчеркивают пластичность метаболизма цианобактерий и демонстрируют их потенциал для прямого фотосинтетического производства глюкозы», — сказал профессор Луань.

Исследователи также выяснили пути и мутации, ведущие к синтезу и секреции глюкозы, и оптимизировали производительность рекомбинантных штаммов. Благодаря последующей метаболической инженерии и оптимизации культивирования, глюкоза, секретируемая созданным штаммом, превышает 5 г/л при долгосрочном культивировании, что составляет до 70% фиксированного источника углерода.

«Это первая успешная попытка создать прямую связь между естественным фотосинтезом и стабильным синтезом глюкозы, — сказал профессор Лу. — Наши результаты проливают свет на разработку и внедрение в промышленность более направленных и непрерывных систем производства глюкозы с использованием солнечной энергии и CO₂».