Исследователи изучили механизм поглощения сахаров у промышленного микроорганизма

Международная команда учёных с помощью генетических манипуляций и современных биофизических инструментов получила неожиданные данные о том, как бактерия поглощает сахара, полученные из растительного сырья.

Результаты были опубликованы 7 сентября в журнале mBio.

"Эффективное поглощение сахаров критически важно для микробных клеточных фабрик, поэтому сахарные транспортеры — важные цели для метаболической инженерии и развития синтетической биологии промышленных микроорганизмов", — сказал соавтор-корреспондент профессор Цуй Цю из Института биоэнергетики и биопроцессов Циндао Китайской академии наук.

Бактерия Clostridium thermocellum давно считается ведущим кандидатом для устойчивого промышленного производства биотоплива. Хотя вопрос о том, как этот промышленный микроорганизм поглощает сахара, интересовал учёных много лет, а пять потенциальных сахарных транспортеров были обнаружены ещё в 2009 году, трудности с генетическими манипуляциями в этой бактерии ограничивали функциональную валидацию.

Группа метаболомики под руководством Цуя разработала ряд инструментов для генетических манипуляций в C. thermocellum. Эти инструменты включают аппарат для электроporации клеток, быструю технику нокаута генов для термофильных бактерий (техника Thermotargetron) и систему точного редактирования генома. Это позволило исследователям анализировать, какие гены вызывают те или иные физические и функциональные изменения в бактерии, и понять, как она расщепляет лигноцеллюлозу (основной компонент клеточных стенок растений) на типы сахаров, пригодные для производства этанола.

Комбинируя эти генетические подходы с различными биофизическими методами, исследователи идентифицировали среди пяти потенциальных транспортеров сахаров в C. thermocellum транспортеры B и A как единственные транспортеры целлодекстрина и глюкозы соответственно. Глюкоза — это простая молекула сахара, а целлодекстрин состоит из нескольких связанных молекул. "Эти выводы довольно неожиданны, поскольку известно, что многие микроорганизмы имеют множество избыточных сахарных транспортеров для своего основного источника углерода", — отметил Цуй.

Вместо множества транспортеров для сбора и перемещения сахаров, как у других микроорганизмов, C. thermocellum в основном использует транспортер B для поглощения целлодекстринов, полученных из целлюлозы. Этот штамм также использует транспортер A для поглощения глюкозы и её использования, но только после соответствующей адаптации, согласно соавтору-корреспонденту профессору Фэн Ингану.

"Мы также идентифицировали изолированный ген 2554 как недостающую субъединицу в генном кластере транспортера B", — сказал Фэн, отметив, что это открытие объясняет, как механизм транспортера B может помочь в утилизации лигноцеллюлозной биомассы. "Кроме того, мы продемонстрировали, что транспортер B связан с регуляцией экспрессии целлюлосом — белковых комплексов, ответственных за производство сахаров путём деградации клеточных стенок растений".

Это открытие расширяет предыдущие исследования в данной области, предполагающие, что экспрессия целлюлосом регулируется группой сигма/анти-сигма факторов с субстрат-чувствительной и транскрипционной активностью, а также связана с транспортом сахаров. Однако исследователи не полностью выяснили лежащий в основе механизм этой связи транспортера сахаров с целлюлосомами. Само обнаружение её существования дополнительно укрепляет потенциальную прикладную ценность C. thermocellum в биоконверсии лигноцеллюлозы.

"Хотя физиологические и эволюционные преимущества ограниченного числа транспортеров всё ещё неизвестны, эти данные позволяют предположить, что инженерия сахарных транспортеров в C. thermocellum может быть проще, чем в видах с множеством избыточных транспортеров", — сказал Цуй.

Исследователи планируют продолжить работу по пониманию ключевых молекулярных механизмов бактерии, что будет использовано для разработки технологий в области биоэнергетики и синтетической биологии.