Дизайнерский фермент позволяет дрожжам производить жирные кислоты по заказу, снижая потребность в пальмовом масле
Многие повседневные товары, от стирального порошка до шоколада, содержат жирные кислоты из пальмового или кокосового масла. Однако добыча этих сырьевых материалов связана с серьёзными экологическими проблемами: вырубкой тропических лесов, уничтожением мест обитания видов и потерей средств к существованию местными фермерами.
Исследовательская группа под руководством профессора Мартина Гринингера из Университета Гёте во Франкфурте (Германия) разработала биотехнологический подход для более экологичного производства. Работа опубликована в Nature Chemical Biology.
Молекулярный конвейер с точным контролем
В основе исследования лежит фермент синтаза жирных кислот (FAS) — своего рода молекулярный конвейер, который строит жирные кислоты во всех живых организмах.
«FAS — один из важнейших ферментов клеточного метаболизма, отточенный эволюцией за миллионы лет», — объясняет Гринингер.
Фермент обычно производит пальмитиновую кислоту (C16). Однако промышленности в основном требуются более короткие варианты с 6–14 атомами углерода, которые сегодня получают из растительных масел, связанных с обезлесением.
«Наше ключевое преимущество — очень точный контроль длины цепи. Мы можем теоретически получить любую длину и демонстрируем это на примере C12 жирной кислоты, которую иначе можно получить только из пальмовых или кокосовых ядер», — говорит Гринингер.
Понимание через модификацию
Команда обнаружила, что длина цепи регулируется взаимодействием двух субъединиц FAS: кето-синтаза удлиняет цепь на два атома углерода, а тиоэстераза отщепляет готовую цепь.
«Мы спросили себя, можем ли мы выйти за рамки анализа и создать FAS с новой регуляцией длины цепи», — говорит Гринингер.
Две целевые модификации привели к успеху
Докторант Дамиан Лудиг применил методы протеинового инжиниринга.
«Две модификации FAS в итоге привели нас к цели, — говорит Лудиг. — В субъединице кето-синтазы я заменил одну аминокислоту, что привело к неэффективному удлинению цепи после определённой длины. Кроме того, я заменил субъединицу тиоэстеразы на похожий белок из бактерий, который активен в расщеплении коротких цепей».
В зависимости от дальнейших настроек удалось производить короткие и средние жирные кислоты.
Сотрудничество с группой профессора Йонгджина Чжоу из Даляньского института химической физики привело к прорывным результатам. Им удалось разработать штаммы дрожжей, производящие жирные кислоты, содержащие только 12 атомов углерода вместо 16. Различные дизайнерские версии FAS из лаборатории Гринингера были интегрированы в эти дрожжи для оптимизации.
Обе лаборатории уже подали патенты на свои технологии.
«С китайской стороны в проекте участвовала Unilever. Наша разработка пока шла без участия промышленности, но мы стремимся к сотрудничеству с индустриальным партнёром для внедрения технологии», — отмечает Гринингер.
Дальнейшие перспективы: от жирных кислот к фармацевтике
Во втором проекте Феликс Леманн исследовал, насколько универсален FAS для направленного биосинтеза других соединений, например, стирилпиронов — предшественников веществ из растения кава, которые могут обладать анксиолитическими свойствами.
«Сначала мы удалили часть FAS, которая не нужна для целевых продуктов, затем изменили кето-синтазу, чтобы можно было использовать коричную кислоту в качестве стартового материала», — объясняет Леманн.
Команда даже интегрировала другой белок в структуру FAS, создав мультиферментный комплекс.
«В этом проекте мы систематически изучили, как целые биосинтетические пути можно конструировать с помощью FAS из доступных строительных блоков», — поясняет Гринингер.
На стыке химии и биологии
«Наша лаборатория сделала значительные шаги в сторону биокатализа и биотехнологических применений. В рамках кластера передовых исследований SCALE мы также будем использовать этот фермент для создания tailored биомембран, что углубит понимание ключевых органелл, таких как эндоплазматический ретикулум и митохондрии», — резюмирует Гринингер.
Вопрос о том, сможет ли технология действительно смягчить проблемы, связанные с пальмовым маслом, теперь зависит от успешного масштабирования вместе с промышленными партнёрами. Научный фундамент заложен, и у лаборатории ещё много идей для исследований.