Инженерия клеток для более эффективного производства биотоплива
Тяжёлые спирты, такие как изобутанол, — перспективные кандидаты на замену бензину. Они содержат больше энергии, чем этанол, и лучше совместимы с существующей инфраструктурой. Чтобы сделать их производство практичным, нужен способ получать большие количества из возобновляемых источников.
Инженеры-химики и биологи MIT нашли способ резко увеличить производство изобутанола в дрожжах, которые естественным образом производят его в малых количествах. Они модифицировали дрожжи так, чтобы синтез изобутанола происходил полностью внутри митохондрий — клеточных структур, генерирующих энергию и содержащих множество биосинтетических путей. Этот подход позволил увеличить производство изобутанола примерно на 260%.
Хотя этого ещё недостаточно для промышленного масштаба, прогресс показывает, что подход перспективен для конструирования не только изобутанола, но и других полезных химикатов, отмечает профессор Грегори Стефанопулос, соавтор статьи в Nature Biotechnology.
Перемещение метаболического пути
Обычно дрожжи производят изобутанол в серии реакций в двух разных частях клетки:
- Синтез начинается с пирувата в митохондриях, где образуется предшественник альфа-кетизовалерат (альфа-KIV).
- Затем альфа-KIV транспортируется в цитоплазму, где другой набор ферментов превращает его в изобутанол.
Ранее исследователи пытались экспрессировать все ферменты для синтеза в цитоплазме. Учёные MIT пошли противоположным путём: они переместили вторую фазу пути из цитоплазмы в митохондрии. Это было достигнуто путём добавления к ферментам специальной метки, направляющей их в митохондрии.
Помимо увеличения выхода изобутанола на 260%, производство родственных спиртов — изопентанола и 2-метил-1-бутанола — выросло ещё сильнее: на 370% и 500% соответственно.
Причины повышения эффективности
Исследователи предполагают несколько причин такого роста:
- Кластеризация ферментов в ограниченном пространстве митохондрий повышает вероятность протекания реакций.
- Ферменты второй фазы в митохондриях эффективнее конкурируют за ограниченный запас предшественников с другими метаболическими путями, чем когда они находятся в цитоплазме.
Это открытие может иметь широкое применение в метаболической инженерии, так как локализация всех этапов реакции в малом пространстве может не только повысить эффективность, но и предотвратить утечку вредных промежуточных продуктов.
Следующие шаги
Сейчас учёные работают над дальнейшим увеличением выхода изобутанола и сокращением производства этанола, который остаётся основным продуктом расщепления сахара в дрожжах.
«Подавление пути синтеза этанола — важный шаг к пригодности этих дрожжей для производства изобутанола», — говорит Стефанопулос.
Исследование финансировалось Национальными институтами здоровья (NIH) и Shell Global Solutions.