Микроводоросли и бактерии совместно превращают углекислый газ в полезные продукты

Учёные десятилетиями генетически модифицировали бактерию Escherichia coli и другие микроорганизмы для превращения CO₂ в полезные биопродукты. Однако большинству методов требуются дополнительные источники углерода, что увеличивает стоимость. Новое исследование преодолевает это ограничение, объединив фотосинтетические способности одноклеточной водоросли с производственными возможностями бактерии E. coli.

Результаты опубликованы в журнале Metabolic Engineering.

Это не первое исследование, объединяющее таланты фотосинтезирующих организмов с другими микробами. Предыдущие работы использовали цианобактерии для поглощения CO₂ и превращения его в сахара, которые затем потреблялись бактериями или дрожжами как топливо и источник углерода.

Новый метод отличается тем, что используемая микроводоросль — мутантная форма Chlamydomonas reinhardtii — поглощает CO₂ и выделяет органическую кислоту, гликолят. E. coli легко потребляет гликолят, в то время как сахар имеет универсальную привлекательность и может питать различные микроорганизмы.

«Иногда сахара лучше для производства определённых продуктов, а иногда органическая кислота лучше. Но если мы используем гликолят вместо сахара, у нас меньше шансов на загрязнение посторонними организмами».

Если мутантную C. reinhardtii оставить расти самостоятельно, она в итоге произведёт столько гликолята, что отравит себя. Но при совместном культивировании с E. coli бактерии потребляют гликолят, поддерживая жизнь и относительное здоровье микроводоросли.

Многочисленные эксперименты привели к созданию модульного биореактора для совместного культивирования:

1. C. reinhardtii выращивается отдельно в камере в идеальных для неё условиях, что повышает плотность популяции, ограничивая производство гликолята.
2. Во второй камере микроводоросль и E. coli выращиваются вместе, что позволяет водоросли производить достаточно гликолята для питания бактерий, обеспечивая углерод для производства полезных химических веществ.

«Это своего рода система взаимопомощи. E. coli удаляет гликолят, принося пользу Chlamydomonas».

Исследователи использовали эту установку для получения двух ценных соединений:

• Ликопин — мощный каротиноидный антиоксидант с многочисленными потенциальными преимуществами для здоровья.
• Зелёный флуоресцентный белок (GFP), широко используемый в биохимических исследованиях.

Успешное производство этих соединений является доказательством работоспособности концепции системы.

«Мы также можем представить, что сможем использовать этот подход для производства других ценных белков, таких как инсулин».

Новый метод, скорее всего, будет полезен для дорогих конечных продуктов, необходимых относительно небольшими партиями, а не для производства больших объёмов недорогих продуктов, таких как биотопливо.

«Мы можем сделать, может быть, 1000 или 10 тонн нашего продукта таким образом, но я не думаю, что мы сможем производить гигатонны продукта с помощью этого процесса».

Создание и поддержание биореактора с адекватным контролем окружающей среды было бы слишком затратным для крупномасштабного производства биотоплива.

Также виден потенциал применения технологии в космических путешествиях, где астронавтам потребуется производить питательные вещества или лекарства для себя во время полёта.

«Пока у нас есть солнечный свет и CO₂, мы можем реализовать этот процесс».