Использование солнечного света для управления метаболическими путями

Исследователи из Копенгагенского университета предложили использовать электроны, образующиеся при фотосинтезе, для непосредственного питания цитохромов P450 в цианобактериях, что позволяет обойти ограничения, связанные с доступностью восстановительных кофакторов.

Контекст и проблема

Цитохромы P450 — это ферменты, стереоспецифично оксигенирующие органические соединения и участвующие во множестве метаболических путей. Для их работы необходимы электроны, обычно поставляемые редокс-кофакторами, такими как NADPH. Доступность восстановительной силы часто становится узким местом при гетерологичной экспрессии растительных путей в микроорганизмах, например, при производстве артемизинина в дрожжах или таксола в E. coli.

Решение: связь с фотосинтезом

Ранее было показано, что если P450 локализуются вблизи фотосистемы I, они могут получать электроны от фотовосстановленного ферредоксина, минуя потребность в специализированной NADPH-зависимой редуктазе. Этот принцип, успешно работающий в хлоропластах растений, был перенесен в цианобактерии.

Исследование: инженерия пути биосинтеза дуррина

В статье "Metabolic engineering of light-driven cytochrome P450 dependent pathways into Synechocystis sp. PCC 6803", опубликованной в Metabolic Engineering, ученые встроили в цианобактерию Synechocystis sp. PCC6803 путь биосинтеза дуррина из Sorghum bicolor.

• Путь: Начинается с тирозина и включает два цитохрома P450 и гликозилтрансферазу.
• Конструкция: Гены трех ферментов были собраны в оперон на самореплицирующемся векторе под контролем сильного индуцибельного промотора.
• Результат: При индукции теофиллином цианобактерии производили дуррин и выделяли большую его часть в среду. В 8-литровых биореакторах накопление дуррина достигло 3.2 мг дуррина L⁻¹OD⁻¹ за 7 дней культивирования.

Влияние на клетку и детоксикация

Экспрессия полного пути вызывала небольшую задержку роста. Однако штаммы, экспрессирующие только первые два фермента (P450 без гликозилтрансферазы), демонстрировали тяжелый токсический фенотип: перестройку тилакоидных структур и отсутствие гранул гликогена. Эти побочные эффекты отсутствовали у штамма с полным путем, что указывает на токсичность промежуточного метаболита и ключевую роль гликозилирования в детоксикации и секреции потенциального яда.

Перспективы

Перехват электронов из фотосинтеза — многообещающая альтернатива в биоинженерии, особенно когда лимитирующим фактором является доступность восстановительной силы. Это исследование показывает восприимчивость Synechocystis к такому подходу и открывает путь для производства с помощью света более коммерчески значимых соединений. Использование фотосинтезирующих микроорганизмов как клеточных фабрик, превращающих свет, CO₂ и воду в топливо, нутрицевтики или фармацевтические препараты, особенно актуально в условиях ограниченных ресурсов.