Кишечную палочку перевели на питание метанолом

3 611

 

Frederic Y.-H. Chen et al. / Cell, 2020

Тайваньские ученые вывели штамм кишечной палочки (Escherichia coli), способный использовать метанол в качестве единственного источника пищи, сообщается в Cell. Скорость размножения таких бактерий значимо не отличалась от скорости размножения видов, которые изначально были метилотрофами: количество питающихся метанолом кишечных палочек удваивалось каждые 8,5 часа. Также исследователи обнаружили проблему, которая возникает из-за метаболизма метанола (химическое связывание ДНК с определенными белками), которую микроорганизмы частично решили увеличением числа копий определенных генов.

Чтобы поддерживать различные биохимические процессы в организме и обновлять структуры в его составе, всему живому необходимо питаться — получать энергию, углерод и электроны. В зависимости от того, какими источниками пищи пользуется вид, его относят к разным категориям «-трофов» («питающихся» по-древнегречески). К примеру, среди бактерий существуют метилотрофы — те, кто получает углерод и электроны из производных метана CH4, но не из него самого. Однако их не очень много.

Меж тем метанол (CH3OH) — соединение, способное служить хорошим источником электронов для микроорганизмов. Кроме того, его легко получить из парниковых газов — CO2 и метана. Если бы получилось создать легко разводимых бактерий, которые могут перерабатывать метанол, удалось бы снизить выбросы этих газов в атмосферу.

Попытки вывести метилотрофов уже предпринимали с кишечной палочкой (Escherichia coli) — самым популярным модельным объектом-прокариотом. Для этого разные коллективы микробиологов определяли, какие ферменты позволят бактериям перерабатывать CH3OH и какими генами эти ферменты кодируются. Также выявляли, какие методики культивирования лучше использовать, чтобы максимально эффективно выращивать нужные бактерии. Однако штаммов кишечной палочки, которые были бы способны использовать метанол в качестве единственного источника питания, пока не создали.

Реклама

Теперь сотрудники Института биологической химии Академии Синика (Тайвань) под руководством Джеймса Ляо (James C. Liao) сумели добиться того, чтобы E. coli выживала и с приемлемой скоростью размножалась на одном лишь метаноле. Для этого они постепенно, не за одно поколение, заменяли бактериям гены ферментов, участвующих в пентозофосфатном цикле, на такие, которые позволяют перерабатывать метанол (новые гены «брали» из метилотрофов). Предварительно авторы смоделировали, какие гены и в какой последовательности надо будет менять, но, естественно, учитывали и данные реальных экспериментов по мере их проведения.

Первые модифицированные бактерии могли расти на среде, содержащей метанол и сахар ксилозу. Они пока не могли питаться одним лишь метанолом, но и не были в состоянии жить только на одной ксилозе. Это создало эволюционное давление, в ходе которого в популяции закреплялись гены, позволяющие перерабатывать метанол. Затем E. coli заменяли и другие участки ДНК, за счет чего находили оптимальный уровень экспрессии генов, нужных для метаболизма CH3OH. Дело в том, что при его переработке образуется токсичный формальдегид, который нужно успевать нейтрализовать. Состав питательной среды тоже меняли так, что в конечном счете в ней остался только метанол.

 

Изменения генов и состава питательной среды при создании кишечных палочек-метилотрофов

Frederic Y.-H. Chen et al. / Cell, 2020

Авторы следили за генетическими изменениями в каждой колонии бактерий, а также за ростом численности кишечных палочек. Хотя самые успешные штаммы метилотрофов размножались довольно быстро, в ряде случаев процесс затягивался и до 11 процентов клеток в колонии оказывались мертвы. Исследуя ДНК этих микроорганизмов, ученые выяснили, что рост колоний задерживается из-за того, что у «синтетических» метилотрофов эта молекула часто химически связывается с различными белками, и этот патологический процесс провоцирует формальдегид.

 

Частично защищаться от связывания ДНК с белками бактериям удавалось за счет вариаций числа копий определенного участка генома размером 70 тысяч пар оснований (этот параметр стал меняться сам, без активных действий со стороны ученых). На этом участке находятся гены, регулирующие выработку и переработку формальдегида. Наиболее успешный штамм из «синтетических» метилотрофов мог выживать при концентрации метанола 1,2 моля на литр. Число клеток у него при питании метанолом могло удваиваться за 8,5 часа, что сопоставимо с возможностями «природных» представителей этой группы — Methylobacterium extorquens (от 4 до 6 часов в зависимости от штамма) и Pichia pastoris (8,2 часа).

Реклама

 

Схема исследования

Frederic Y.-H. Chen et al. / Cell, 2020

 

Кишечную палочку модифицируют самыми разнообразными способами, в том числе меняют набор источников атомов углерода, подобно тому, как это сделали в обсуждаемом исследовании. К примеру, в ноябре 2019 года израильские ученые представили штамм E. coli, способный создавать органические вещества из углекислого газа подобно тому, как это делают растения.

Светлана Ястребова

https://nplus1.ru/news/2020/08...

Конашенок попытался улететь в Армению, но был задержан в аэропорту Пулково, а позже, заикаясь от страха, записал видео, где принёс свои «глубочайшие извинения»

Сегодня и вчера стримеры наперебой извиняются за свои слова в прямом эфире, сказанные сразу после теракта. Одна женщина из Липецкой области в эфире говорила, что в Москве убили всего 113 человек, а на...

«Крокус-покус» Агаларовых: здание в кадастре не числится, а работали дети и самозанятые

Многие наверняка обратили внимание на школьников, выводивших людей из «Крокус Холла» в ходе теракта 22 марта. Они прославились на всю страну и получили уже немало наград. Правда, юридич...

Русская ракета попала "куда нужно". Варшава спешно отправила в отставку инструктора ВСУ после смерти генерала
  • ATRcons
  • Вчера 20:06
  • В топе

Решение об отстранении было принято на основании данных контрразведки Польши. Кадровые перестановки в "Еврокорпусе"  Пресс-служба Министерства обороны Польши сообщает об уволь...

Обсудить
  • Ценность этих исследований чисто научная, практической пока невидо. Поскольку как метан так и метанол являются источниками энергии будущего и специально уттилизирвать их могут придумать только отмороженные на экологиии британские ученые.
  • Гораздо более интересный случай описан в книге "Котёл с неприятностями". Одни один из седельцев научил свои кишечные палочки ПРОИЗВОДИТЬ этанол. :blush:
  • ... и пришел день, когда полили дожди по всей земле из этанола... и сказал Господь "Ну, хорошо!" ...