Новый метаболический путь использует одноуглеродные газы как сырьё

Совместная исследовательская группа, связанная с UNIST, идентифицировала новый метаболический путь, в котором микроорганизмы используют одноуглеродные (C1) газы (CO и CO₂) в качестве сырья. Этот новый путь считается наиболее энергетически эффективным по сравнению с существующими и, как ожидается, найдёт применение в различных промышленных процессах, связанных с конверсией C1-газов в ценные биохимические продукты.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, было проведено совместно профессором Донхёком Кимом (Школа энергетики и химической инженерии, UNIST) и профессором Бён-Кваном Чо (Департамент биологических наук, KAIST), при этом первым автором выступил доктор Йосеб Сонг (Департамент биологических наук, KAIST).

В настоящее время известно шесть автотрофных путей фиксации CO₂, способных превращать C1-газы в органические соединения, и один из представительных примеров — фотосинтез у растений. Среди этих природных метаболических путей фиксации CO₂ линейный путь Вуда–Льюнгдаля (Wood-Ljungdahl pathway, WLP) у филогенетически разнообразных ацетогенов, образующих ацетат, считается наиболее энергетически эффективным для фиксации C1-соединений. В частности, ацетогены играют важную роль в глобальном углеродном цикле, ежегодно образуя около 10¹³ кг (100 миллиардов тонн) уксусной кислоты.

Однако скорость роста ацетогенов в 10 раз ниже, чем у промышленных микроорганизмов, таких как E. coli. Это ограничивает их использование в качестве промышленных микроорганизмов для конверсии C1-газов в полезные биохимические продукты. Соответственно, проводятся многочисленные исследования по поиску новых и более эффективных путей фиксации CO₂.

Исследовательская группа обратила особое внимание на скорость роста Clostridium drakei, которая была выше, чем у других микроорганизмов, при поглощении CO₂. Через это они надеялись найти ключи к повышению эффективности конверсии C1-газов.

В данном исследовании, используя реконструированную метаболическую модель в масштабе генома iSL771 на основе полной последовательности генома, транскриптомику, эксперименты по трассировке метаболитов с изотопом ¹³C, биохимические анализы и гетерологичную экспрессию пути в другом ацетогене, команда обнаружила, что WLP и путь синтеза глицина функционально взаимосвязаны для фиксации CO₂ с последующим превращением CO₂ в ацетил-КоА, ацетилфосфат и серин.

Более того, функциональное сотрудничество этих путей усиливает потребление CO₂ и скорость клеточного роста, позволяя обойти реакции, требующие восстановительной мощности для клеточного метаболизма во время автотрофного роста ацетогенов.

«С новым метаболическим путём фиксации CO₂ мы преодолеем ограничения в биосинтезе для производства высокодобавленных соединений, вызванные медленной скоростью роста ацетогенов», — говорит профессор Ким.