Разделение труда среди микробов повышает выход биотоплива

Учёные нашли способ увеличить производство этанола с помощью дрожжевого брожения — стандартного метода превращения растительных сахаров в биотопливо. Их подход, описанный в журнале Nature Communications, основан на точном расчёте времени и строгом разделении труда между синтетическими штаммами дрожжей, что позволяет получить больше этанола на единицу растительных сахаров, чем предыдущие методы.

«Мы создали искусственное микробное сообщество из двух модифицированных штаммов дрожжей: специалиста по глюкозе и специалиста по ксилозе», — сообщил Йонг-Су Джин, профессор пищевых наук и питания человека в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, который руководил исследованием совместно с профессором биоинженерии Тингом Лу.

Глюкоза и ксилоза — два самых распространённых сахара, получаемых при расщеплении растительной биомассы, такой как сельскохозяйственные отходы. Команда пыталась решить распространённую проблему, возникающую при использовании дрожжей Saccharomyces cerevisiae для конверсии этих сахаров. В природе этот штамм предпочитает глюкозу и не способен метаболизировать ксилозу. Генетически модифицированные штаммы, способные потреблять ксилозу, всё равно предпочитают глюкозу, что снижает общую эффективность производства этанола.

Исследователи провели серию экспериментов, тестируя использование двух специализированных дрожжевых штаммов. Они изменяли порядок и время добавления каждого штамма в сахарную смесь, а также соотношения, в которых смешивались популяции.

Команда также разработала математическую модель, точно предсказывающую работу дрожжей и выход этанола. Модель использовала данные экспериментов для обучения и затем предсказывала оптимальные условия брожения, которые позже были подтверждены экспериментами.

Учёные обнаружили, что добавление специалиста по ксилозе в смесь первым, а специалиста по глюкозе — через 14–29 часов, резко увеличивает производство этанола, более чем вдвое повышая выход.

«Это исследование демонстрирует функциональный потенциал разделения труда в биопроцессинге и даёт представление для рационального проектирования инженерных экосистем для различных применений», — заключили авторы.