Генетическая модификация утроила выход биопластика из цианобактерий

Производство пластиков с помощью биологических систем, таких как бактерии, может привести к устойчивому производству биоразлагаемых и биосовместимых пластиков с использованием углерода из атмосферы. Однако до сих пор было чрезвычайно сложно повысить выход биопластиков до промышленно жизнеспособного уровня. Такаси Осанай, Масами Йокота Хираи и их коллеги из RIKEN Center for Sustainable Resource Science создали штамм цианобактерий, который производит в три раза больше биопластика полигидроксибутирата (PHB), чем обычный.

Цианобактерия вида Synechocystis начинает производить PHB, когда такие питательные вещества, как азот, становятся дефицитными. Эта метаболическая адаптация помогает бактериям выживать в условиях нехватки ресурсов. Однако организмы естественным образом не производят достаточного количества PHB для коммерческого применения.

Чтобы повысить уровень PHB, исследовательская группа создала штамм Synechocystis с повышенной экспрессией белка Rre37 — регуляторного белка, участвующего в метаболизме сахаров в условиях азотного голодания. Генетический и метаболический анализы показали, что Rre37 способствует превращению гликогена (молекулы для хранения сахара) в PHB.

Ранее та же команда идентифицировала другой белок, SigE, также участвующий в производстве биопластика. Как и в случае с Rre37, сверхэкспрессия SigE (участвующего в инициации синтеза РНК) приводила к большему накоплению PHB в условиях ограничения азота.

В новом штамме Synechocystis были повышены уровни экспрессии обоих белков — Rre37 и SigE. Анализ экспрессии генов показал, что Rre37 и SigE активируют разные пары генов, вовлеченных в биосинтез PHB. Экстракция PHB показала, что концентрация биопластика была еще выше в штамме с усиленной активностью Rre37 и SigE по сравнению со штаммами, где был сверхэкспрессирован только один белок, или с немодифицированным «диким» штаммом.

«Благодаря двойной сверхэкспрессии Rre37 и SigE уровень PHB увеличился в три раза по сравнению с диким типом», — говорит Осанай. — «Однако для коммерческого применения требуется еще большее увеличение производства биопластика».

Помимо помощи в превращении гликогена в PHB, исследователи задокументировали новую важную роль Rre37 в азотном метаболизме. Уровни аспартата (типа аминокислоты) повысились в штамме с сверхэкспрессией Rre37. Совокупные данные транскриптомного и метаболомного анализов указывают на новый метаболический цикл, представляющий собой нечто среднее между известными циклом Кребса и мочевинным циклом.