Ученые используют эволюцию для биоинженерии новых путей к устойчивой энергии и фармацевтике

Исследователи, используя эволюцию как руководящий принцип, успешно создали бактериально-дрожжевые гибриды, способные к фотосинтетической ассимиляции углерода, генерации клеточной энергии и поддержанию роста дрожжей без традиционных источников углерода, таких как глюкоза или глицерин. Создав фотосинтезирующие цианобактерии, способные жить симбиотически внутри дрожжевых клеток, ученые получили гибриды, которые могут производить важные углеводороды. Это открывает новые биотехнологические пути к энергетике, не основанной на нефти, другим применениям синтетической биологии и экспериментальному изучению эволюции.

"Все клетки, имеющие ядро, также содержат различные органеллы — такие как митохондрии и хлоропласты, — которые выполняют специфические функции и содержат собственную ДНК", — сказал профессор химии Университета Иллинойса Ангад Мехта, руководивший исследованием. "Ученые давно предполагали, что сложные формы жизни начались, когда один из таких типов клеток слился с другим в процессе, называемом эндосимбиозом".

В предыдущем исследовании команда Мехты показала, что созданные в лаборатории химеры цианобактерий и дрожжей (эндосимбионты) могут поставлять дрожжам фотосинтетически генерируемый АТФ, но не обеспечивают их сахарами. В новой работе ученые модифицировали цианобактерии так, чтобы они расщепляли сахара и выделяли глюкозу, а затем объединили их с дрожжевыми клетками. Полученные химеры способны расти в присутствии CO₂, используя сахар и энергию, производимые бактериями.

Результаты нового исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Обладая возможностью превращать нефотосинтезирующий организм в фотосинтезирующую химерную форму жизни, команда сосредоточилась на определении того, как эти химеры могут быть использованы для биоинженерии новых метаболических путей, способных производить ценные продукты, такие как лимонен (простое углеводородное соединение, содержащееся в цитрусовых), в фотосинтетических условиях.

"Лимонен — относительно простая, но важная молекула с большим рынком", — сказал Мехта. "Это исследование как доказательство концепции показывает, что мы можем конструировать пути в наших гибридах для фотосинтетического производства лимонена, который принадлежит к классу молекул, называемых терпеноидами. Они также являются предшественниками многих высокоценных соединений, таких как топливо, противораковые и противомалярийные препараты".

Мехта заявил, что цели этой линии исследований — определить, может ли их метод производить более сложные соединения (например, топливо и фармацевтические препараты), и если да, то работать над масштабированием процесса до рыночного уровня.

"Я думаю, было бы невероятно достичь точки, где мы могли бы гарантировать, что каждый атом углерода в высокоценном соединении происходит из CO₂", — сказал Мехта. "Это может стать одним из способов переработки отходов CO₂ в будущем".

Команда также отметила, что в своем стремлении понять и усовершенствовать эндосимбиотические системы для развития биотехнологий они по пути ответят на многие фундаментальные эволюционные вопросы.

"Это произойдет, хотим мы того или нет", — сказал Мехта. "Мы всегда следим за тем, как наша работа может помочь разгадать некоторые тайны эволюции жизни. На мой взгляд, лучший способ сконструировать эндосимбиотические системы — это воссоздать процесс эволюции в лаборатории. Ответы на некоторые из самых больших вопросов биологии придут естественным образом".

В исследовании также участвовали ученые из Иллинойса Янлэ Гао, Джейсон Курнуайе, Бидан Де, Кэтрин Уоллес, Александр Уланов и Майкл Ла Франo.