Юен Калауей

Търсете този автор в:

бактерии

Бактерията Ешерихия коли е проектиран да расте чрез консумация на въглероден диоксид. Кредит: Steve Gschmeissner/SPL

Е. coli е на диета. Изследователите са създали щам на лабораторната бактерия работен кон - пълно име Ешерихия коли - който расте чрез консумиране на въглероден диоксид вместо захари или други органични молекули.

Постижението е крайъгълен камък, казват учените, защото драстично променя вътрешната работа на един от най-популярните биологични организми. И в бъдеще, консумирането на CO2 Е. coli може да се използва за получаване на органични въглеродни молекули, които могат да се използват като биогорива или за производство на храна. Продуктите, произведени по този начин, биха имали по-ниски емисии в сравнение с конвенционалните производствени методи и биха могли потенциално да отстранят газа от въздуха. Творбата е публикувана в Клетка 1 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 участва в проучването.

Растенията и фотосинтетичните цианобактерии - водни микроби, които произвеждат кислород - използват енергията от 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 тях, Е. coli е сравнително лесно да се проектира и неговият бърз растеж означава, че промените могат бързо да бъдат тествани и променени, за да се оптимизират генетичните промени. Но бактерията предпочита да расте на захари като глюкоза - и вместо да консумира CO2, тя отделя газа като отпадък.

Рон Мило, системен биолог от Научния институт Weizmann в Реховот, Израел, и екипът му прекараха последното десетилетие в основен ремонт Е. coliДиета. През 2016 г. те създадоха 2 щам, който консумира CO2, но съединението представлява само 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 използваха комбинация от генно инженерство и лабораторна еволюция, за да създадат щам от Е. coli които могат да получат целия си въглерод от CO2. Първо, те дадоха гените на бактериите, които кодират двойка ензими, които позволяват на фотосинтетичните организми да преобразуват CO2 в органичен въглерод. Растенията и цианобактериите захранват това преобразуване със светлина, но това не беше осъществимо Е. coli. Вместо това екипът на Майло добави ген, който позволява на бактерията да събира енергия от органична молекула, наречена формиат.

Дори с тези добавки бактерията отказа да замени захарните си ястия с CO2. За по-нататъшно ощипване на щама, изследователите са култивирали последователни поколения модифицирани Е. coli за една година, като им дават само малки количества захар и CO2 при концентрации около 250 пъти по-високи от тези в земната атмосфера. Те се надяваха, че бактериите ще 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 растяха по-бързо в лабораторните условия, отколкото тези, които не можеха да консумират CO2.

Яденето на CO2, или автотрофно, Е. coli щамовете все още могат да растат върху захарта - и биха използвали този източник на гориво над CO2, предвид избора, казва Майло. В сравнение с нормалното Е. coli, което може да се удвои на всеки 20 минути, автотрофното Е. coli са изостанали, разделящи се на всеки 18 часа, когато се отглеждат в атмосфера, която е 10% CO2. Те не могат да издържат без захар на атмосферни нива на CO2 - в момента 0,041%.

Майло и неговият екип се надяват да накарат техните бактерии да растат по-бързо и да живеят на по-ниски нива на CO2. Те също се опитват да разберат как Е. coli еволюирал, за да яде СО2: промени само в 11 гена сякаш позволяват превключването и те сега работят върху определянето как.

Работата е „крайъгълен камък“ и показва силата на инженерството и еволюцията на смесване за подобряване на естествените процеси, казва Черил Керфелд, биоинженер в Мичиганския държавен университет в Източен Лансинг и Националната лаборатория на Лорънс Бъркли в Калифорния.

Вече, Е. coli се използва за направата на синтетични версии на полезни химикали като инсулин и човешки растежен хормон. Майло казва, че работата на екипа му 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 документ за доказателство за концепция“, съгласява се Ерб. „Ще минат няколко години, докато видим, че този организъм се прилага.“