Микробы, которые дышат, производят больше энергии
Исследователи показали, что можно вызвать сдвиг в метаболизме E. coli и пекарских дрожжей от брожения к дыханию, оптимизируя условия ферментации. Этот сдвиг позволяет клеткам производить больше внутренней энергии (АТФ).
"Эту информацию можно использовать для создания новых, улучшенных клеточных фабрик", — говорит ведущий автор, профессор Йенс Нильсен.
Вместе с первым автором, постдоком Ю Ченом, Нильсен изучал метаболизм E. coli и дрожжей с помощью математических моделей и биологических экспериментов. Исследование опубликовано в PNAS.
Клетки постоянно генерируют высокоэнергетические молекулы АТФ из сахара глюкозы. АТФ — это "пища" для ферментов, которые используют эту энергию для построения биомассы или другой работы. Чем больше АТФ, тем лучше работают микробные "рабочие лошадки" в ферментациях.
С помощью вычислительного подхода исследователи выяснили, что АТФ может генерироваться двумя путями:
- Высокодоходный дыхательный путь: даёт 23.5 АТФ на молекулу глюкозы.
- Низкодоходный бродильный путь: даёт только 11 АТФ на молекулу глюкозы.
Исследователям удалось сместить естественный баланс между этими путями, изменяя условия ферментации, а также количество доступных сахара и белка. Они показали, что для потребления глюкозы с той же скоростью высокодоходному пути требуется больше белковой массы, чем низкодоходному.
Улучшение работы некоторых ключевых ферментов привело к тому, что клетки перешли от низкодоходного бродильного метаболизма к высокодоходному дыхательному.
Этот сдвиг не только приводит к увеличению внутриклеточного АТФ, но и позволяет избежать накопления побочных продуктов брожения: ацетата у E. coli и этанола у пекарских дрожжей.
"Эти побочные продукты нежелательны и снижают выход целевых молекул, которые вы хотите производить на своей клеточной фабрике", — отмечает Йенс Нильсен.
Также исследователи показали, что наиболее эффективные клетки используют оба пути одновременно, а не только высокодоходный, и что большее количество доступных белков повышает эффективность любого пути.
Таким образом, решение для повышения эффективности клеток в ферментациях заключается не в отключении бродильного пути, а в перераспределении большего количества белка на высокодоходный путь.
В этом исследовании изменения были вызваны только воздействием на микробы различных условий ферментации, без геномной инженерии. Однако полученные результаты указывают на то, как в будущих экспериментах можно изменить метаболизм клеток с помощью геномной инженерии, чтобы сделать их более эффективными.