Синтетический метаболический путь фиксирует CO₂ эффективнее растений

В будущем парниковый газ CO₂ можно будет удалять из атмосферы с помощью нового биологического метода. Группа под руководством Тобиаса Эрба, руководителя исследовательской группы в Институте микробиологии суши Макса Планка в Марбурге, разработала полностью биологический синтетический метаболический путь по образцу фотосинтеза, который фиксирует CO₂ из атмосферы на 20% эффективнее, чем это делают растения в процессе фотосинтеза. Исследователи сначала спроектировали новую систему на бумаге, а затем реализовали её в лаборатории. Результаты опубликованы в журнале Science.

Концентрация CO₂ в атмосфере из-за деятельности человека постоянно растёт. Чтобы преодолеть проблему изменения климата, «мы должны найти новые способы устойчивого удаления избыточного CO₂ из атмосферы и превращения его во что-то полезное», — подчеркнул Эрб.

Теоретически проблему можно решить за счёт повышения продуктивности сельского и лесного хозяйства, так как растения фиксируют CO₂ через фотосинтез. Они производят сахар из CO₂ в процессе, известном как цикл Кальвина. Однако ключевой фермент этого цикла в растениях, RuBisCo, работает относительно медленно и часто ошибается: в одной из пяти реакций он захватывает молекулу кислорода вместо CO₂.

Бактериальный фермент фиксирует CO₂ точно и с высокой скоростью

В природе существуют ферменты фиксации CO₂ совершенно другого качества — более быстрые и эффективные, чем RuBisCo. Они работают в метаболизме микроорганизмов. Эрбу удалось выделить один из таких ферментов из бактерий — Crotonyl-CoA Carboxylase/Reductase. Этот фермент почти никогда не ошибается и работает примерно в 20 раз быстрее, чем его аналог в мире растений.

Исследователи начали изучать, как можно использовать этот «турбо-фермент» для превращения CO₂ в органические соединения. Для этого, как и в цикле Кальвина, нужны дополнительные ферменты, но ферменты из цикла Кальвина не были совместимы с новым ферментом.

Метаболический путь из 17 ферментов от девяти организмов

Тобиас Эрб сначала спроектировал новый теоретический цикл — CETCH (Crotonyl-CoA/Ethylmalonyl-CoA/Hydroxybutyryl-CoA) — с потенциально подходящими ферментами и всеми биохимическими реакциями. Из баз данных, содержащих 40 000 известных ферментов, он выбрал несколько десятков кандидатов, способных выполнить требуемые задачи.

Команда Эрба объединила все ферменты в пробирке и за два года создала «оптимизированный цикл, работающий стабильно». Исследователи постоянно тестировали новые, часто генетически модифицированные, биокатализаторы и пробовали новые комбинации ферментов, чтобы найти систему, в которой компоненты работают вместе оптимально.

В итоге был создан синтетический цикл фиксации CO₂, чего, насколько известно Эрбу, «никому раньше не удавалось достичь». В нём используется в общей сложности 17 различных ферментов (включая три «дизайнерских фермента») от девяти различных организмов, включая человека. Цикл CETCH, в котором марбургские исследователи имитируют темновую реакцию фотосинтеза, фиксирует CO₂ на 20% эффективнее, чем цикл Кальвина у растений.

Цикл CETCH может производить различные вещества

Синтетический метаболический путь представляет собой новаторское достижение в области синтетической биологии. Учёные надеются использовать его для создания новых полезных для человека систем и организмов на биологических принципах.

В текущей модели цикла Эрба энергия поступает от химической реакции, а не от света, как при фотосинтезе у растений, и в итоге производится глиоксиловая кислота. «Однако цикл CETCH можно модифицировать для производства, например, сырья для биодизеля, антибиотиков и многих других веществ», — пояснил исследователь.

Применение в бактериях, водорослях или в сочетании с солнечными элементами

Для практического применения гены, необходимые для цикла, можно перенести в бактерии или водоросли. Эти модифицированные микроорганизмы будут производить нужный продукт, используя CO₂ из атмосферы, и таким образом полезно преобразовывать парниковый газ. Также цикл CETCH можно объединить с солнечными элементами и использовать предоставляемые ими электроны для превращения CO₂ в полезные химические соединения.

Такие идеи уже не кажутся технически неосуществимыми. Сеть MaxSynBio Общества Макса Планка активно исследует, как можно создавать новые биологические процессы с нуля. Тобиас Эрб надеется внести вклад в понимание фундаментальных принципов построения метаболизма: «Наше исследование направлено на то, чтобы заново изобрести превращение неорганического CO₂ в органическое вещество. Наша мечта — создать синтетический метаболизм 2.0 с использованием специально созданных ферментов, которые смогут производить любое соединение из CO₂».