Можно ли «перепрограммировать» организм, который находится выше в пищевой цепи, который потребляет сахар и выделяет углекислый газ, так, чтобы он потреблял углекислый газ из окружающей среды и производил сахара, необходимые для наращивания массы тела? Именно это недавно и сделала группа исследователей Института Вейцмана. Доктор Нив Антоновский, который руководил этим исследованием в лаборатории профессора Рона Мило в отделе наук о растениях и окружающей среде Института, говорит, что способность улучшить фиксацию углерода имеет решающее значение для нашей способности справляться с будущими проблемами, такими как потребность в снабжении продуктами питания. к растущему населению из-за сокращения земельных ресурсов при использовании меньшего количества ископаемого топлива.
Ученые Института приняли эту задачу, внедрив метаболический путь фиксации углерода и производства сахара (так называемый цикл Кальвина) в бактерию E. coli, известный организм-«потребитель», который поедает сахар и выделяет углекислый газ.Метаболический путь фиксации углерода хорошо известен, и Майло и его группа считали, что при правильном планировании они смогут прикрепить гены, содержащие информацию для встраивания этого вещества, в геном бактерии. Тем не менее, основной фермент, используемый в растениях для фиксации углерода, RuBisCO, использует в качестве субстрата для реакции фиксации CO2 метаболит, токсичный для бактериальных клеток.
Таким образом, дизайн должен был включать точную регуляцию уровней экспрессии различных генов на этом многоступенчатом пути.С одной стороны, хорошо продуманный план команды имел ошеломляющий успех: бактерии действительно производили ферменты фиксации углерода, и они были функциональными.
Но техника в целом не «доставляла товар». Несмотря на то, что механизм фиксации углерода был выражен, бактерии не смогли использовать CO2 для синтеза сахара, вместо этого полагаясь на внешний источник сахара. «Конечно, мы имели дело с организмом, который эволюционировал в течение миллионов лет и питался сахаром, а не CO2», — говорит Антоновский. «Поэтому мы обратились к эволюции, чтобы помочь нам создать систему, которую мы задумали».Антоновский, Майло и его команда, включая Шмуэля Глейзера, Аррена Бар-Эвена, Иегудита Зохара, Элада Герца и других, разработали резервуары под названием «хемостаты», в которых они выращивали бактерии, постепенно подталкивая их к развитию аппетита к CO2. Первоначально, наряду с обильными пузырьками CO2, бактериям в резервуарах было предложено большое количество пирувата, который является источником энергии, а также едва достаточное количество сахара для выживания.
Таким образом, изменяя условия окружающей среды и подвергая их стрессу, ученые заставили бактерии научиться, адаптируясь и развиваясь, использовать более богатый материал в их среде. Прошел месяц, а ситуация оставалась довольно статичной.
Бактерии, казалось, не «поняли намек». Но примерно через полтора месяца у некоторых бактерий появились признаки того, что они не просто «выживают».
К третьему месяцу ученые смогли отучить эволюционирующие бактерии от сахара и поднять их с помощью только CO2 и пирувата. Изотопная маркировка молекул углекислого газа показала, что бактерии действительно использовали CO2 для создания значительной части своей массы тела, включая все сахара, необходимые для создания клетки.Когда ученые секвенировали геномы эволюционировавших бактерий, они обнаружили множество изменений, разбросанных по бактериальным хромосомам. «Они полностью отличались от того, что мы предсказывали», — говорит Майло. «Нам потребовалось два года упорной работы, чтобы понять, какие из них являются важными, и разгадать« логику »их эволюции». Повторение эксперимента (и снова несколько месяцев ожидания) дало ученым важные подсказки для определения мутаций, необходимых для изменения диеты E. coli с диеты, основанной на сахаре, на диету с использованием углекислого газа.
Майло сказал: «Возможность программировать или реинжиниринг E. coli для фиксации углерода может дать исследователям новый инструментарий для изучения и улучшения этого основного процесса». Хотя в настоящее время бактерии выделяют CO2 обратно в атмосферу, команда предполагает, что в будущем их идеи могут быть применены для создания микроорганизмов, которые впитывают атмосферный CO2 и преобразуют его в запасенную энергию, или для получения сельскохозяйственных культур с путями связывания углерода, что приведет к повышению урожайности. и лучшая адаптация к кормлению человечества.