Постижението може да превърне ешерихия коли в биологична система за производство на енергия и дори храна.

диоксид

Бактериите на ешерихия коли са модифицирани да растат чрез консумиране на въглероден диоксид. [IStock/Claudio Ventrella]

Изследователите са създали щам на бактерията Escherichia coli, който има способността да расте, като консумира въглероден диоксид вместо захари или други органични молекули.

Постижението е крайъгълен камък, според учените, защото драстично променя вътрешната работа на един от най-популярните образци на организми в биологията. И в бъдеще новият щам може да направи възможно производството на органични въглеродни молекули, които биха могли да се използват като биогорива или за храна. Продуктите, генерирани по този начин, биха имали по-ниски емисии в сравнение с конвенционалните производствени методи и дори биха могли да отстранят газа от въздуха. Работата току-що е публикувана в Cell от Рон Майло, системен биолог от Института на науките на Weizmann в Реховот, и неговите сътрудници.

Растенията и цианобактериите (водни микроорганизми с фотосинтетичен капацитет) използват енергията на светлината, за да трансформират или фиксират CO2 във въздуха във въглерод-съдържащите градивни елементи на живота, включително ДНК, протеини и мазнини. Но тези организми могат да бъдат трудно генетично модифицирани, което забави усилията за превръщането им в биологични фабрики.

За разлика от това, Е. coli е относително лесен за модифициране и бързият му растеж позволява тестване и коригиране на промените за оптимизиране на генетичните промени. Въпреки това, бактериите предпочитат да растат на захари като глюкоза и вместо да консумират CO2, те отделят този газ като отпадъчен продукт.

Авторите са прекарали последното десетилетие в манипулиране на "диетата" на Е. coli. През 2016 г. те създадоха щам, който консумира CO2, но съединението представлява само част от приема на въглерод в организма; останалото се получава от пируват, органично съединение, с което се хранят бактерии.

Диета, базирана на газове

Майло и неговият екип използваха смес от генетично и еволюционно инженерство в лабораторията, за да създадат щам на Е. coli, който да извлече целия въглерод от CO2. Първо, те вкараха в бактериите гени, които кодират двойка ензими, които позволяват на фотосинтетичните организми да преобразуват CO2 в органичен въглерод. Растенията и цианобактериите използват светлината като енергиен източник, за да извършат това преобразуване, но на Е. coli липсва тази способност. Така авторите вмъкват ген, който позволява на бактериите да получават енергия от органична молекула, наречена формиат.

Но дори и с тези нововъведения, бактериите все още не заместват CO2 за консумация на захар. За по-нататъшно модифициране на щама, изследователите са култивирали последователни поколения модифицирани Е. coli в продължение на една година и са му предлагали само следи от захар и CO2 в концентрации около 250 пъти по-високи от тези в земната атмосфера. Те очакваха от тях да развият мутации, за да се адаптират към тази нова диета. След около 200 дни се появиха първите клетки, способни да използват CO2 като единствен източник на въглерод. И след 300 дни тези бактерии растат по-бързо в лабораторни условия от тези, които не могат да се възползват от CO2.

Щамовете на E. coli, които консумират CO2 или автотрофни, все още поддържат способността да растат със захар и биха избрали този източник на енергия, а не CO2, ако имаха възможност, казва Майло. В сравнение с немодифицираните бактерии, чийто брой се удвоява на всеки 20 минути, автотрофните Е. coli изостават и се разделят на всеки 18 часа, когато се отглеждат в 10 процента CO2 атмосфера. И при настоящите атмосферни нива от 0,041 процента, те не могат да оцелеят без захар.

Майло и неговият екип се надяват да накарат техните бактерии да растат по-бързо и да живеят с по-ниски нива на CO2. Те също се опитват да разберат как еволюира Е. coli, само чрез модифициране на 11 гена, докато тя е в състояние да консумира CO2.

Работата показва съвместната сила на инженерството и еволюцията за подобряване на естествените процеси, казва Черил Керфелд, биоинженер в Мичиганския държавен университет и Националната лаборатория Лорънс Бъркли в Калифорния.

Е. coli бактериите вече се използват за направата на синтетични версии на полезни вещества, като инсулин и човешки растежен хормон. Майло обяснява, че работата им може да разшири броя на продуктите, които могат да произведат, като възобновяеми горива, храни и други вещества. Той обаче не вярва, че този напредък ще се случи скоро. Все още ще минат няколко години, докато видим приложението на този микроорганизъм.

Ewen callaway

Статията е преведена и адаптирана от Research and Science с разрешение от Nature Research Group.

Справка: «Преобразуване на Escherichia coli за генериране на целия въглерод от биомаса от CO2». Shmuel Gleizer et al. в клетка, кн. 179, No 6, стр. 1255-1263, ноември 2019.