Водоросли как сосуды для синтетической биологии

Водоросли привлекают значительное научное внимание и рассматриваются как перспективная платформа для синтетической биологии, несмотря на менее развитые инструменты по сравнению с традиционными системами.

Два основных направления

В области синтетической биологии и биотехнологии водорослей выделяют два основных направления исследований:

• Эукариотические микроводоросли: Модельный организм — Chlamydomonas reinhardtii. Его можно трансформировать как через ядро, так и через хлоропласт. В эукариотических водорослях уже производили фармацевтические белки: антитела, иммунотоксины и вакцины против малярии и гриппа. Chlamydomonas также стал первым фотосинтезирующим организмом с наблюдаемым непрерывным производством био-водорода.
• Цианобактерии: Эти прокариотические организмы, способные к оксигенному фотосинтезу, являются привлекательной платформой, где встречаются бактерии и растения. Они используются для гетерологичного производства многих соединений.

Потенциальные преимущества

Водоросли и цианобактерии обладают рядом преимуществ для устойчивой биотехнологии:

• Не конкурируют за ресурсы: Не требуют пахотных земель и не используют сахара в качестве источника углерода, в отличие от культурных растений или гетеротрофных бактерий.
• Фиксируют CO₂: Это важно в контексте изменения климата. Некоторые виды также фиксируют азот.
• Используют фотосинтез: Обеспечивают готовый редокс-потенциал для сложных метаболических реакций и предоставляют большое мембранное пространство, критичное для работы многих биосинтетических ферментов.

Пример инновации: Карбоксисомы цианобактерий (органеллы, концентрирующие углерод) предлагается использовать для улучшения фотосинтеза сельскохозяйственных растений или в качестве платформ для сборки белковых доменов. Kerfeld и коллеги создали химерные белки карбоксисом, которые могут собираться в функциональные органеллы и служить платформой для доставки каталитических доменов.

Текущие вызовы

Синтетическая биология водорослей отстает от более «традиционных» направлений по нескольким причинам:

1. Недостаток инструментов: Нехватка развитого набора для генетической инженерии. Некоторые эукариотические водоросли сложно трансформировать, а у цианобактерий мало хорошо изученных частей и методов для высокопроизводительного анализа. Ситуация меняется с появлением CRISPR и новых инструментов.
2. Отсутствие коммерческого успеха: Помимо использования Arthrospira (спирулины) в качестве пищевой добавки, крупных успехов нет. Ранние попытки производства биотоплива не увенчались успехом, а подходы метаболической инженерии не достигли титров, демонстрируемых гетеротрофными организмами-хозяевами.
3. Особенности роста: Водоросли растут медленнее бактерий и дрожжей, не могут достигать очень высокой плотности клеток (из-за само-затенения) и по-разному ведут себя в лабораторных и промышленных условиях.

Перспективы

Несмотря на трудности, водоросли нельзя сбрасывать со счетов. Появляются все более сложные исследования, а растущее число компаний, работающих с водорослями, указывает на интерес индустрии. В будущем могут появиться «фотосинтезирующие дома» на водорослях или коммерческие продукты, произведенные водорослями. Они представляют собой экологичный путь в будущее.