Новые геномные последовательности нацелены на следующее поколение дрожжей с улучшенными биотехнологическими свойствами

Дрожжи трудно различить физически, но метаболически, генетически и биохимически они чрезвычайно разнообразны. Промышленность пока использует лишь малую часть этого разнообразия для биотехнологических применений, включая производство биотоплива. В Proceedings of the National Academy of Sciences команда под руководством исследователей из DOE Joint Genome Institute представила работу, цель которой — расширить использование более широкого спектра дрожжей.

Хотя Saccharomyces cerevisiae повсеместно используется в хлебопечении, пивоварении и виноделии, это не типичный представитель более 1500 видов дрожжей в мире. Их толстые клеточные стенки и устойчивость к перепадам давления делают их удобными для масштабирования в промышленных процессах.

Чтобы стимулировать использование большего разнообразия дрожжей и изучить гены и пути, закодированные в их геномах, команда провела сравнительный геномный анализ 29 дрожжей, включая 16 видов с впервые секвенированными и аннотированными геномами. В исследовании, опубликованном 15 августа 2016 года в PNAS, команда сопоставила различные метаболические пути с профилями роста дрожжей.

«Получение полного генома промышленно важного микроорганизма сильно стимулирует исследования в этой области, особенно когда последовательность сопровождается высококачественной аннотацией генов», — сказал старший автор Том Джеффрис.

Генетическое разнообразие дрожжей шире, чем ожидалось

Дрожжи (принадлежащие к «царству» грибов) могут использовать широкий спектр источников углерода и энергии: от целлюлозных (6-углеродных) и гемицеллюлозных (5-углеродных) сахаров до метанола, глицерина и уксусной кислоты. Продукты включают этанол, другие спирты, сложные эфиры, органические кислоты, каротиноиды, липиды и витамины.

«Мы секвенировали эти разнообразные геномы, чтобы расширить каталог генов, ферментов и путей, закодированных в них, для производства биотоплива и био-продуктов», — сказал Игорь Григорьев, со-старший автор работы.

Секвенирование этих малоизвестных дрожжей и характеристика их метаболических путей помогает заполнить пробелы в знаниях о грибковых ферментах, которые могут помочь преобразовать широкий спектр сахаров в биотопливо. Например, хорошо известные дрожжи S. cerevisiae сбраживают глюкозу, но не другие сахара, содержащиеся в растительных биополимерах.

Один из вновь секвенированных видов — Pachysolus tannophilus, который может сбраживать ксилозу (древесный сахар, получаемый из гемицеллюлозы). Он лишь отдаленно связан с хорошо изученными ферментерами ксилозы, такими как Scheffersomyces stipitis.

«Мы можем думать о дрожжах как о простых одноклеточных существах, похожих друг на друга, но на самом деле их генетическое разнообразие сравнимо с разницей между человеком и беспозвоночным морским асцидией», — сказал первый автор исследования Роберт Райли. — «Мы также обнаружили изменение генетического кода, которое, если его не понять, будет препятствовать биотехнологическому использованию дрожжей».

Переопределение генетического кода

В P. tannophilus команда обнаружила изменение в одном из трехбуквенных кодонов, представляющих одну из 20 регулярно используемых аминокислот. Это изменение с CUG-Ser на CUG-Ala является лишь вторым наблюдаемым случаем нестоп-кодонового переопределения (изменения одной аминокислоты на другую) в ядерных геномах.

«Хотя мы не знаем, почему и как это произошло, гены с кодонами CUG могут не производить функциональные белки, если экспрессируются в организме с другим генетическим кодом, так как будут кодировать другую аминокислоту», — сказал Григорьев.

«Переопределение CUG-Ala важно для биотехнологии, потому что для экспрессии новых биотехнологически полезных генов из разнообразных дрожжей в таких рабочих лошадках, как Saccharomyces, нам нужно знать, одинаковы ли генетические коды», — пояснил Райли. — «Если нет, экспрессия новых генов не сработает, потому что белки будут неправильно переведены».

«Публикация этих новых геномных последовательностей дрожжей откроет множество новых платформ для биоинженерии целлюлозоразрушающих, липид-продуцирующих, кислотоустойчивых дрожжей», — заключил Джеффрис.