Инженерная защита: как эффлюксные насосы повышают устойчивость микробов к биотопливу
Передовые биотоплива, получаемые из целлюлозной биомассы, представляют собой перспективную замену бензину, дизелю и авиационному топливу. Однако многие из лучших кандидатов на роль таких топлив (например, бутанол, изопентанол, гераниол, лимонен) токсичны для микробов, которые используются для их синтеза. Это создаёт дилемму между выживаемостью микроорганизма и выходом целевого продукта.
Исследователи из Объединённого института биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики США предложили решение, разработав библиотеку микробных эффлюксных насосов. Эти белки, встроенные в клеточную мембрану, активно выводят токсичные вещества из клетки. В работе, опубликованной в журнале Molecular Systems Biology, учёные показали, что подобранные насосы значительно снижают токсичность семи модельных биотоплив для инженерных штаммов Escherichia coli.
Методология: от геномных данных к функциональной библиотеке
Поскольку все известные устойчивые к растворителям эффлюксные насосы у грамотрицательных бактерий относятся к семейству HAE1, исследователи:
- Создали базу данных всех насосов HAE1 из секвенированных бактериальных геномов.
- Провели биоинформатический скрининг, сравнивая регионы, ответственные за субстратную специфичность, с таковыми у хорошо охарактеризованного насоса TtgB.
- На основе этого сравнения отобрали подмножество в основном неохарактеризованных генов, представляющих равномерное распределение кандидатов.
- Сконструировали библиотеку, клонировав опероны эффлюксных насосов из геномной ДНК отобранных бактерий в вектор и трансформировав его в штамм-хозяина E. coli.
Ключевой результат: доказательство принципа
В серии экспериментов на выживаемость лучшими оказались:
- Собственный насос E. coli AcrAB.
- Ранее не охарактеризованный насос из морского микроба Alcanivorax borkumensis.
Исследователи сфокусировались на насосе A. borkumensis и протестировали его в штамме, сконструированном для производства предшественника авиатоплива — лимонена. Микробы, экспрессирующие этот насос, производили значительно больше лимонена, чем контрольные клетки без насоса.
Значение и перспективы
Это исследование предоставляет простую, но эффективную стратегию для поиска механизмов толерантности к биотопливам. Как отмечает ведущий автор работы Аиндрила Мукхопадхьяй, для рентабельности производства выход биотоплива должен превышать естественный уровень толерантности микробов, поэтому повышение устойчивости должно идти параллельно с разработкой метаболических путей синтеза.
Команда JBEI уже начала оценивать эффлюксные насосы для борьбы с другими важными соединениями и ингибиторами, присутствующими в лигноцеллюлозном сырье. Также ведутся работы по улучшению насоса A. borkumensis и оптимизации систем экспрессии генов насосов в производственных штаммах.