Усиление фотосинтеза — ключ к повышению выхода биопластика из цианобактерий

Традиционные пластики из нефтехимии производятся из невозобновляемых ископаемых ресурсов и не разлагаются в окружающей среде. Поэтому существует большой интерес к замене их на биоразлагаемые альтернативы из возобновляемого сырья. Однако существующие методы производства таких пластиков пока экономически невыгодны.

Минами Мацуи, Ньок-Шон Лау и их коллеги из RIKEN Center for Sustainable Resource Science добились значительного прогресса в разработке пластиков на основе бактериальной ферментации.

Полигидроксиалканоаты (PHAs) — это линейные полиэфиры, производимые бактериальной ферментацией сахаров или липидов. Однако выращивание гетеротрофных бактерий для этого требует дорогих органических субстратов. Альтернатива — использование фотосинтезирующих организмов, таких как цианобактерии, которые берут углерод из атмосферного CO₂. Но этому мешают низкие скорости конверсии и недостаточное понимание факторов, способствующих накоплению PHA.

В сотрудничестве с Кумаром Судешем из Universiti Sains Malaysia команда создала генетически модифицированный вариант цианобактерии Synechocystis sp. штамм 6803. Он производил PHA в количестве до 14% от биомассы клеток — рекорд для клеток, выращенных без внешнего источника углерода. В модифицированном штамме первый фермент пути синтеза PHA был заменён на ацетоацетил-КоА-синтазу из Streptomyces sp. CL190.

Сравнив экспрессию генов у сверхпродуцента PHA и у немодифицированного штамма, учёные обнаружили парадокс. «Линия, сверхпродуцирующая PHA, на самом деле экспрессировала низкие уровни большинства других генов, непосредственно участвующих в синтезе PHA», — поясняет Мацуи. Вместо этого наиболее заметно повышенную экспрессию в модифицированной линии показали гены, кодирующие широкий спектр компонентов фотосинтетического аппарата.

Результаты показывают, что усиление экспрессии генов, связанных с различными аспектами фотосинтеза, отражает повышение способности цианобактерий к фиксации углерода. Это необходимо, чтобы компенсировать увеличенное отведение углерода на образование PHA.

«Усиление фиксации углерода в цианобактериях путём манипулирования участвующими в этом процессе белками кажется очередным важным шагом для устойчивого производства биопластиков, биотоплива и других химикатов, — говорит Мацуи. — Цианобактерии идеально подходят для демонстрации этой возможности. И если мы добьёмся успеха с ними, тот же или похожий подход может сработать и для высших растений».