Крайната цел на израелските изследователи е да създадат биологични фабрики, които превръщат газа, отговорен за изменението на климата, в храна и гориво.

Бактериите на Е. coli са на диета. Изследователите са създали щам на бактериите, който представлява лабораторен работен кон (пълно име Escherichia coli), който расте чрез консумация на въглероден диоксид вместо захари или други органични молекули.

израелски

Постижението е крайъгълен камък, казват учените, защото драстично променя вътрешната работа на един от най-популярните образци на организми в биологията. И в бъдеще Е. coli, които се хранят с CO2, могат да се използват за производство на органични въглеродни молекули, които могат да се използват като биогорива или за производство на храна.. Продуктите, направени по този начин, биха имали по-ниски емисии в сравнение с конвенционалните производствени методи и биха могли да отстранят газа от въздуха. Изследването е публикувано в списание Cell на 27 ноември.

„Това е като метаболитна трансплантация на сърце“, казва Тобиас Ерб, биохимик и синтетичен биолог от Института за земна микробиология „Макс Планк“ в Марбург, Германия, който не е участвал в изследването.

Растения и фотосинтетични цианобактерии, водни микроби, които произвеждат кислород, използват енергията на светлината, за да трансформират или фиксират CO2 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 сравнително лесно да се реинженерира и нейният бърз растеж означава, че промените могат бързо да бъдат тествани и коригирани за оптимизиране на генетичните модификации. Но бактериите предпочитат да растат на захари като глюкоза и вместо да консумират CO2, те отделят газа като отпадък.

Рон Мило, системен биолог от Научния институт Weizmann в Реховот, Израел, и екипът му прекараха последното десетилетие в преглед на диетата на Е. coli. През 2016 г. те създадоха щам, който консумира CO2, но съединението представлява само малка част от приема на въглерод в организма; останалото е органично съединение, с което се хранят бактериите, наречено пируват.

Газова диета

В последната работа Майло и неговият екип са използвали комбинация от генно инженерство и лабораторна еволюция, за да създадат щам на Е. coli, който може да получи целия си въглерод от CO2. Първо, даде на бактериите гени, които кодират двойка ензими, които позволяват на фотосинтетичните организми да преобразуват CO2 в органичен въглерод. Растенията и цианобактериите подобряват това преобразуване със светлина, но това не е осъществимо за Е. coli. Вместо това екипът на Майло добави ген, който позволява на бактериите да извличат енергия от органична молекула, наречена формиат.

Дори и с тези добавки бактериите отказаха да търгуват храната си на захарна основа за CO2. За по-нататъшно прецизиране на щама, изследователите отглеждат последователни поколения модифицирани Е. coli в продължение на една година, като ги хранят само с малки количества захар и CO2 при концентрации, приблизително 250 пъти по-високи от тези в земната атмосфера. Те очакваха бактериите да развият мутации, за да се адаптират към тази нова диета. След около 200 дни се появяват 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 консумират CO2.

Щамовете на E. coli, които ядат CO2, или автотрофи, все още могат да растат върху захар и биха използвали този източник на гориво над CO2, ако имат възможност, казва Майло. В сравнение с нормалната Е. coli, която може да се удвои на всеки 20 минути, автотрофната Е. coli изостава и се разделя на всеки 18 часа, когато се отглежда в атмосфера с 10% CO2. Те не могат да издържат без захар при атмосферни нива на CO2, в момента 0,041%.

Майло и неговият екип се надяват, че техните бактерии ще растат по-бързо и ще живеят с по-ниски нива на CO2. Те също се опитват да разберат как Е. coli еволюира, за да яде CO2: промени само в 11 гена изглежда позволиха промяната и сега те работят, за да определят как.

Работата е "крайъгълен камък" и показва силата на термоядрения инженеринг и еволюцията за подобряване на естествените процеси, казва Шерил Керфелд, биоинженер в Мичиганския държавен университет в Източен Лансинг и Националната лаборатория на Лорънс Бъркли в Калифорния.

Е. coli вече се използва за направата на синтетични версии на полезни химикали като инсулин и човешки растежен хормон. Майло казва, че работата на неговия екип може да разшири продуктите, които бактериите могат да произвеждат, като включат възобновяеми горива, храни и други вещества. Но той не вижда това да се случва скоро.

„Това е проучване с доказателство за концепция“, съгласява се Ерб. „Ще минат няколко години, докато не видим това тяло да се прилага“.