Инновационная светозависимая ферментативная биосистема для синтеза природных терпеноидов

Терпеноиды, такие как α-фарнезен, — это природные соединения, широко используемые в качестве ароматизаторов, отдушек и даже в биотопливе. Традиционно α-фарнезен экстрагируют из растений, что часто приводит к низкому выходу и недостаточной чистоте продукта, не соответствующей критериям для использования человеком.

Химический синтез может решить эти проблемы, но он сложен и вреден для окружающей среды. Альтернативные методы с использованием генетически модифицированных микроорганизмов, таких как цианобактерии и E. coli, предлагают перспективные пути получения α-фарнезена из возобновляемых источников.

Группа исследователей под руководством профессора Чжигуана Чжу из Тяньцзиньского университета науки и технологий и Китайской академии наук разработала инновационный способ производства α-фарнезена с использованием метанола и света.

Результаты их исследования были опубликованы 21 июня 2024 года в журнале BioDesign Research и обещают экологически чистый и эффективный процесс получения α-фарнезена по сравнению с традиционными методами.

Ключом этого метода является использование тилакоидных мембран — компонентов растительных клеток, играющих решающую роль в фотосинтезе и создании энергии. Используя эти природные мембраны, исследователи создали систему, имитирующую способность растений преобразовывать световую энергию в химическую, но для производства α-фарнезена.

«Наше исследование представляет путь для синтеза α-фарнезена на основе каскадной ферментативной реакции in vitro с использованием метанола в качестве недорогого и возобновляемого субстрата C1», — объясняет профессор Чжу.

Новый процесс включает серию из 13 ферментативных реакций, разделённых на два модуля и интегрированных с тилакоидными мембранами, которые выступают в роли «светового двигателя» для преобразования метанола в α-фарнезен. Эти мембраны помогают регенерировать аденозинтрифосфат (АТФ) и восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН) — энергетические молекулы, необходимые для ферментативных реакций. Использование света делает процесс не только более устойчивым, но и более эффективным.

Разработанный метод не только использует возобновляемые ресурсы, но и демонстрирует потенциал для масштабируемых промышленных применений. Оптимизируя концентрацию ферментов, тилакоидных мембран и других кофакторов, исследователи смогли достичь значительного выхода α-фарнезена, что делает этот метод жизнеспособной альтернативой текущим производственным технологиям. Кроме того, устойчивость системы в различных световых условиях подчеркнула её адаптивность.

«Это исследование может предоставить многообещающую стратегию для разработки светозависимых платформ для in vitro биосинтеза с целью получения большего количества природных соединений из субстратов C1», — отмечает профессор Чжу, добавляя: «Это направление предполагает будущий потенциал для утилизации C1-субстратов и конструирования фотосинтетических клеточных фабрик для производства различных терпенов».

Будущие модификации будут направлены на повышение эффективности и выхода продукции терпеноидов, что знаменует значительный шаг в устойчивых промышленных практиках. Используя силу света и возобновляемые ресурсы, это исследование расширяет возможности для производства ценных природных соединений экологически безопасным и экономически жизнеспособным способом.

Более того, эта работа подчеркивает потенциал инновационных научных подходов для решения практических задач, одновременно акцентируя важность устойчивости в промышленных процессах. Поскольку отрасли всё чаще ищут «зелёные» альтернативы, такие методы становятся решающими для снижения воздействия на окружающую среду и содействия устойчивому развитию, задавая прецедент для будущих инноваций в синтезе природных соединений.