Дрожжевые биофабрики с солнечными панелями
Генетически модифицированные микроорганизмы, такие как бактерии и дрожжи, давно используются как живые фабрики для производства лекарств и химических веществ. В последнее время исследователи начали комбинировать бактерии с полупроводниковыми технологиями, которые, подобно солнечным панелям, собирают энергию света. При соединении с поверхностью микробов они могут повысить их биосинтетический потенциал.
Первые «биолого-неорганические гибридные системы» (биогибриды) в основном фокусировались на фиксации атмосферного CO2 и производстве альтернативной энергии. Несмотря на перспективность, они выявили ключевые проблемы. Например, полупроводники из токсичных металлов обычно собирают прямо на бактериальных клетках, что часто вредит им. Кроме того, изначальный фокус на углерод-фиксирующих микробах ограничивал спектр продуктов относительно простыми молекулами.
В новом исследовании в Science междисциплинарная команда под руководством Нила Джоши, Цзюньлина Го и Мигеля Суастеги из Гарвардского института Висса представляет высокоадаптируемое решение этих проблем.
«Наша стратегия концептуально основана на более ранних бактериальных биогибридных системах, но мы расширили концепцию на дрожжи — организм, который уже является промышленной рабочей лошадкой и легко поддается генетическим манипуляциям. Мы использовали модульный полупроводниковый компонент, который обеспечивает биохимической энергией метаболические машины дрожжей, не будучи токсичным», — сказал Джоши.
В результате комбинированных манипуляций способность дрожжей производить шикимовую кислоту — важный предшественник противовирусного препарата Тамифлю, других лекарств, нутрицевтиков и химикатов — была значительно усилена.
Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae естественным образом производят шикимовую кислоту. Генетически модифицировав центральный метаболизм дрожжей, исследователи направили больше атомов углерода из глюкозы в путь производства шикимовой кислоты, заблокировав альтернативный путь.
Однако этот заблокированный альтернативный путь также обеспечивал энергию (в форме молекулы NADPH) для финального этапа производства шикимовой кислоты. Чтобы восполнить этот дефицит энергии в более эффективном по углероду, но обедненном энергией инженерном пути, команда решила генерировать NADPH с помощью светособирающих полупроводников в биогибридном подходе.
Для этого они использовали наночастицы фосфида индия (InP) в качестве полупроводникового материала. «Чтобы сделать полупроводниковый компонент по-настоящему модульным и нетоксичным, мы покрыли наночастицы InP натуральным «клеем» на основе полифенолов. Это позволило прикрепить их к поверхности дрожжевых клеток, одновременно изолировав клетки от токсичности металла», — сказал Го.
При освещении прикрепленные к клетке наночастицы полупроводника собирают электроны (энергию) из света и передают их дрожжевым клеткам. В цитоплазме электроны повышают уровень молекул NADPH, которые теперь могут питать биосинтез шикимовой кислоты.
«Дрожжевые биогибридные клетки в темноте в основном производили более простые органические молекулы, такие как глицерин и этанол. Но при воздействии света они легко переключались в режим производства шикимовой кислоты с 11-кратным увеличением уровня продукта. Это показывает, что передача энергии от света в клетку работает очень эффективно», — сказал Джоши.
«Этот масштабируемый подход создает совершенно новое пространство для проектирования будущих биогибридных технологий. В будущем природу полупроводников и тип генетически модифицированных дрожжевых клеток можно будет варьировать по принципу plug-and-play, чтобы расширить спектр производственных процессов и биопродуктов», — сказал Го.