Ученые создали устойчивость к ионным жидкостям у микробов для биотоплива
Исследователи из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) выявили генетическую основу устойчивости микробов к ионным жидкостям и успешно внедрили эту устойчивость в штамм бактерий E. coli для производства передовых видов биотоплива. Устойчивость основана на паре генов, обнаруженных в бактерии, родом из тропического леса в Пуэрто-Рико.
"Мы идентифицировали два гена в Enterobacter lignolyticus — почвенной бактерии, толерантной к ионным жидкостям на основе имидазолия, — и перенесли их в составе генетического модуля в E. coli, используемую для производства биотоплива", — говорит Майкл Телен, биохимик из JBEI. "Этот модуль обеспечил толерантность, необходимую E. coli для хорошего роста в присутствии токсичных концентраций ионных жидкостей. В результате производство терпенового биотоплива было усилено".
Телен — старший научный сотрудник Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) и автор-корреспондент статьи в Nature Communications под названием "An auto-inducible mechanism for ionic liquid resistance in microbial biofuel production". Ведущий автор — Томас Рюгг.
Сжигание ископаемого топлива ежегодно выбрасывает в атмосферу почти 9 миллиардов метрических тонн избыточного углерода. Передовые виды биотоплива, синтезируемые из целлюлозной биомассы несъедобных растений, представляют собой чистую, возобновляемую альтернативу.
Ранее исследователи JBEI создали штаммы E. coli, способные переваривать биомассу проса прутьевидного и превращать его сахара в биотопливо. Однако ионные жидкости, используемые для повышения усвояемости проса для E. coli, также были для них токсичны и требовали полного удаления перед ферментацией.
"Обширная промывка, необходимая для полного удаления ионной жидкости, нецелесообразна в крупномасштабных промышленных применениях", — говорит Блейк Симмонс, руководитель подразделения JBEI. "Идеальный процесс — использовать микробы, толерантные к остаточным уровням ионных жидкостей".
Два года назад из экспедиции в национальный лес Эль-Юнке в Пуэрто-Рико была привезена штамм SCF1 Enterobacter lignolyticus, показавший толерантность к высокому осмотическому давлению, подобному тому, что создают ионные жидкости. В JBEI была разработана модель, согласно которой бактерии SCF1 сопротивляются токсичному эффекту, изменяя проницаемость клеточной мембраны и выкачивая токсичное химическое вещество из клетки до того, как произойдет повреждение.
В новом исследовании ученые использовали подход, разработанный Рюггом, чтобы быстро определить гены, ответственные за устойчивость к ионным жидкостям в геномной ДНК SCF1.
"Этот генетический модуль кодирует как мембранный транспортер, так и его транскрипционный регулятор", — говорит Рюгг. "Пока насос экспортирует ионные жидкости, индуцируемый субстратом регулятор поддерживает соответствующий уровень этого насоса, чтобы микроб мог нормально расти как в присутствии, так и в отсутствие ионной жидкости".
Результаты показывают путь к устранению узкого места в стратегии производства биотоплива JBEI, которая зависит от предварительной обработки биомассы ионными жидкостями. Это также показывает, как можно превратить негативный эффект ионных жидкостей в преимущество.
"Присутствие остаточных ионных жидкостей может предотвратить рост микробных контаминантов, что позволит проводить ферментацию в более экономичных асептических условиях", — говорит Телен. "Наши результаты должны проложить путь для дальнейшего улучшения микробов, которые внесут вклад в устойчивое производство биотоплива и химикатов".