Метод создания микробов для улучшенного производства биотоплива
Учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США продемонстрировали метод вставки генов в различные микроорганизмы, которые ранее не принимали чужеродную ДНК. Цель — создание кастомизированных микробов для расщепления растений с целью получения биоэнергии.
Исследователи из Центра биоэнергетических инноваций (CBI) Министерства энергетики в ORNL используют возможности микробов для превращения непищевой биомассы (кукурузные стебли, просо прутьевидное, тополь) в биотопливо и биопродукты. Чтобы повысить эффективность процесса, нужны микробы, способные одновременно расщеплять целлюлозу и сбраживать её в биотопливо. Этот подход, названный консолидированной биопереработкой (CBP), улучшает экономику производства биотоплива.
Для достижения большей урожайности биотоплива нужны микробы, которые:
- Поедают целлюлозу для получения целевого топлива.
- Процветают в высокотемпературных бескислородных средах.
Улучшение или внедрение целевых признаков в таких необычных микробов сложно. Существует мало инструментов для их инженерии, а у организмов есть защитные механизмы, препятствующие вставке новых генов.
Подделка "подписи"
Эти защитные механизмы, предназначенные для защиты от вирусов, охраняют микробов от копирования чужеродной ДНК. Чтобы отличить свою ДНК от чужой, каждый микроб помещает метильную группу на несколько специфических последовательностей ДНК. Эти метилированные последовательности уникальны для организма и действуют как "подпись". Специальные ферменты (рестрикционные эндонуклеазы) патрулируют клетку и уничтожают любую ДНК, у которой отсутствуют метильные группы на этих "подписных" последовательностях.
Команда Гасса продемонстрировала способ использовать эту систему защиты, чтобы заставить микробов принимать биоинженерную ДНК как свою собственную.
Метод включает два этапа:
- С помощью двух методов секвенирования учёные идентифицируют "подписные" последовательности микроба и ферменты (метилтрансферазы), которые их метилируют.
- Затем эти метилтрансферазы экспрессируют в обычном лабораторном микробе E. coli. При наличии правильных метилтрансфераз E. coli способны создавать копии ДНК с ожидаемыми паттернами метилирования, гарантируя, что целевой микроб примет и будет использовать новую ДНК.
Исследователи подтвердили работоспособность метода, успешно вставив функционирующий ген в Clostridium thermocellum ATCC27405 — организм для CBP, который ранее было сложно трансформировать. Аналогичный успех достигнут с десятью другими видами, ранее не поддававшимися генной инженерии.
Этот метод "быстрой доместикации" открывает возможности для прикладных и фундаментальных исследований, особенно в определении функции генов. Учёные могут удалять или сверхэкспрессировать гены, чтобы определить, как это влияет на признаки организмов. Метод применим не только в биоэнергетике, но и в биомедицинских и других фундаментальных исследованиях.