Как построить искусственную нанофабрику для энергетики будущего

Многие бактерии содержат крошечные фабрики для различных целей. Они могут производить сахара из углекислого газа или переваривать токсичные для клетки соединения внутри этих фабрик.

Мануэль Зоммер изучает, как построены и работают фабрики, создающие сахар из CO₂ в процессе фотосинтеза, — карбоксисомы. Это шаг к созданию новых фабрик на основе их природных аналогов для производства синтетических материалов, ароматизаторов, компонентов для экологичного топлива или средств диагностики заболеваний.

Бактерии невероятно разнообразны, и карбоксисомные структуры могут быть столь же разнообразны в своих функциях. Частью проблемы создания синтетических карбоксисом было определение их основных строительных блоков. Впервые Мануэль и лаборатория Керфельда проанализировали более 200 наборов генов из разных цианобактерий (сине-зелёных водорослей), содержащих карбоксисомы, приблизив нас к пониманию этих основ.

Исследование опубликовано в Journal of Experimental Botany.

Инвентаризация миниатюрных фабрик

Недавние исследования предоставили сотни новых геномов цианобактерий для изучения. «Всего пять лет назад было доступно менее 50 геномов цианобактерий. Теперь у нас их более 350, включая множество ещё не изученных видов», — говорит Мануэль.

Цианобактерии — хороший объект для изучения, так как их карбоксисомы специализируются на фотосинтезе и они уже хорошо исследованы. Этот поток информации делает карбоксисомы хорошей мишенью для создания полного каталога деталей фабрики, чтобы затем перепроектировать их в синтетические фабрики.

Идея в использовании синтетических копий карбоксисом для создания возобновляемых материалов внутри «одомашненных» для биотехнологий бактерий.

Строительные блоки, как лего

Карбоксисомы состоят из оболочек, каждая из которых собрана примерно из 7 различных типов белков, соединяющихся как детали лего. «Оболочки служат и фильтром, и барьером, контролируя поступление сырья и выход готового продукта, например, предшественников сахара. Химические реакции протекают внутри защищённой оболочки. Поэтому понимание её структуры — важный шаг к созданию наших собственных систем».

Первым крупным открытием стало обнаружение двух новых, ранее невиданных вариантов этих оболочечных белков. «Мы полагаем, что причина, по которой карбоксисоме изначально нужно несколько белков, — в гибкости, которую это даёт организму для роста в разных условиях».

Например, некоторым вирусам для создания оболочки нужен один белок, а у изученных цианобактерий их от 4 до 9. «Возможно, каждый белок пропускает определённые вещества. Чем больше доступно белков, тем точнее оболочка может регулировать, что входит и выходит».

Эволюция фабрик: «Вызов наземного контроля»

Если ДНК — это книга, то гены — слова. «Произнесение» этих слов, или экспрессия генов, воплощает их смысл в жизнь.

Мануэль обнаружил, что гены оболочечных белков карбоксисом экспрессируются по-разному в зависимости от того, насколько близко или далеко они расположены друг от друга. «Один тип карбоксисом (альфа-карбоксисомы) группирует все гены в одном месте. Преимуществ много: близость облегчает сборку оболочки или перенос генетического кода между организмами — один из путей эволюции. Вероятно, поэтому такие компартменты встречаются у эволюционно разнообразных бактерий».

Однако у изученного типа карбоксисом (бета-карбоксисомы) есть дополнительные гены в других участках ДНК. «Мы считаем, что это делает их более сложными. Пока ген находится в основном кластере, он экспрессируется одновременно с соседними генами. Но как только он перемещается на «сателлитную» позицию, он становится полностью независимым».

Это разнообразие, вероятно, помогает цианобактериям выживать в разных средах. «Эти цианобактерии довольно сложны. У каждой есть как минимум один сателлитный локус вдали от основных генов. Это логично, ведь они живут в кардинально разных условиях: альпийские озёра, горячие источники, солёная вода, антарктические воды. Они — граждане мира».

Если меняется свет или качество воды, сателлитные гены могут обеспечить резервный или альтернативный вариант, не затрагивая основные гены оболочки. «Вот почему, как мы полагаем, эволюционным решением стало распределение генов для их раздельной экспрессии по мере необходимости».

Синтетические аналоги, способные на многое

Использование этой природной фабрики может когда-нибудь привести к удивительным технологиям. Лаборатория Керфельда хочет создать искусственные карбоксисомы, которые можно будет оснащать ферментами по выбору. Это позволит производить возобновляемые материалы, способные заменить промышленные продукты, например, нефть.

Мануэль предлагает другой подход: внедрение карбоксисом в сельскохозяйственные культуры. «Одна из крупнейших проблем культурных растений — неэффективность переработки CO₂ в органические молекулы, что снижает урожайность. Карбоксисомы справляются с этим гораздо лучше, так как процесс происходит внутри изолированной оболочки, непроницаемой для нежелательных молекул».

Перспектива многообещающая, но учёные сталкивались с трудностями при попытке заставить цианобактериальные карбоксисомы работать в наземных растениях. Мануэль считает, что недавно открытое богатство геномов цианобактерий может расчистить путь. «По сути, мы изучаем, как цианобактерии выживали и эволюционировали. Эти знания приближают нас к пониманию основных строительных блоков, необходимых для создания наших собственных искусственных нанофабрик».