Добавки помогают дрожжам выживать, повышая производство биотоплива

Химики и биологи MIT обнаружили простой способ заставить дрожжи производить больше этанола из сахаров: добавить в питательную среду два распространённых химических вещества. Добавление калия и соединения, снижающего кислотность, помогает дрожжам выдерживать более высокие концентрации производимого ими этанола, не погибая. С помощью этих «добавок» традиционно малоэффективные лабораторные дрожжи произвели больше этанола, чем промышленные штаммы, генетически отобранные на устойчивость к этанолу. Добавки также позволили лабораторным дрожжам переносить более высокие дозы высокоэнергетических спиртов, таких как бутанол — прямой заменитель бензина. Впервые исследователи описали механизм, с помощью которого спирты отравляют дрожжи; определили два гена, контролирующих устойчивость к этанолу; и модифицировали эти гены в лабораторных дрожжах, чтобы они превзошли по продуктивности промышленные штаммы — даже без добавок.

Экспериментальные доказательства

Исследователи имитировали промышленные условия: высокую плотность дрожжевых клеток и высокую концентрацию глюкозы. В качестве добавки использовали хлорид калия для повышения уровня калия и гидроксид калия для снижения кислотности. Тестировали на чувствительном лабораторном штамме дрожжей.

  • Каждая добавка значительно повышала выход этанола.
  • Совместное добавление хлорида и гидроксида калия дало увеличение выхода этанола на 80%, при этом дрожжи потребили практически всю доступную глюкозу.
  • Повышенный калий и сниженная кислотность увеличивают жизнеспособность клеток, что и приводит к росту продуктивности. «Скорость производства на клетку почти не меняется, но клетки остаются живыми гораздо дольше; и чем дольше они живут, тем больше этанола производят», — говорит Феликс Лам.

Сравнение с промышленными штаммами

Исследователи сравнили продуктивность лабораторного штамма (с добавками и без) с несколькими коммерческими штаммами, используемыми для производства биоэтанола в Бразилии и США.

  • Базовая продуктивность коммерческих штаммов была выше, чем у лабораторного.
  • Однако продуктивность лабораторного штамма с добавками значительно превысила базовую продуктивность коммерческих штаммов.
  • Добавление добавок к коммерческим штаммам подняло их выход этанола примерно до того же уровня, что и у лабораторного штамма с добавками.
  • Таким образом, сочетание высокого калия и сниженной кислотности может «перекрыть» генетические различия между штаммами.

Применение к другим задачам

  1. Ксилоза: На чистой ксилозе (компонент целлюлозного сырья) добавки увеличили выход этанола у специально сконструированного штамма более чем на 50%.
  2. Высокоэнергетические спирты: Добавки также повысили устойчивость дрожжей к более токсичным спиртам, таким как бутанол (прямой заменитель бензина).

Объяснение механизма

Исследователи предложили механизм токсичности спиртов для дрожжей при концентрациях, актуальных для производства биотоплива.

  • Критически важны для клетки электрохимические градиенты ионов калия (K+ высоко внутри, низко снаружи) и протонов (H+, определяющих кислотность; низко внутри, высоко снаружи).
  • Два «насоса» в мембране поддерживают эти градиенты.
  • Предполагаемый механизм: При высоких концентрациях спирты делают клеточную мембрану пористой. Через мелкие отверстия калий вытекает наружу, а протоны поступают внутрь, что разрушает критические градиенты. Насосы не справляются с утечкой, градиенты коллапсируют, клетка погибает.
  • Действие добавок: Повышение концентрации K+ и снижение концентрации H+ снаружи клетки облегчает работу насосов. Более сбалансированные концентрации по обе стороны мембраны также уменьшают поток ионов через отверстия.

Генетическая модификация

Если механизм верен, то усиление работы насосов с помощью генной инженерии должно помочь. Действительно:

  • Дрожжи с генетически усиленными насосами (без добавок) показали рост производства этанола на 27%.
  • Это меньше, чем при использовании добавок, но больше, чем базовые показатели коммерческих штаммов.
  • Эффективность именно этих генетических изменений подтверждает предложенный механизм токсичности и указывает, что впервые выделены гены, ответственные за устойчивость дрожжей к этанолу.

Следующие шаги

Исследователи уже повысили продуктивность сверх заявленных уровней, получили обнадёживающие результаты на реальном промышленном сырье и изучают комбинацию химических добавок и генетической модификации. Внедрение в промышленности может быть относительно простым: увеличение уровня калия и контроль кислотности в биореакторе.