Dodano: 29 listopad 2019r.

Bakterie E. coli przeprojektowane, by konsumowały dwutlenek węgla

W laboratorium w Izraelu przeprojektowano bakterie Escherichia coli, które normalnie żywią się cukrami, w takie, które budują swoje komórki poprzez pochłanianie dwutlenku węgla (CO2), podobnie jak rośliny. Prace naukowców mogą doprowadzić do powstania drobnoustrojów, które produkują paliwa, farmaceutyki czy wychwytują CO2 z powietrza.

Bakterie Escherichia coli – Pałeczka okrężnicy

 

Niektóre szczepy bakterii Escherichia coli są wykorzystywane do produkcji biopaliw i innych chemikaliów, ale zwykle żywią się cukrami. Ron Milo z Weizmann Institute of Science w Izraelu i jego koledzy zdołali zmusić te drobnoustroje do konsumpcji CO2. To osiągnięcie podkreśla niewiarygodną plastyczność metabolizmu bakteryjnego i może zapewnić ramy dla przyszłej neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla bioprodukcji.

- Naszym głównym celem było stworzenie wygodnej platformy, która pomogłaby w sprostaniu wyzwaniom związanym ze zrównoważoną produkcją żywności i paliw oraz globalnym ociepleniem spowodowanym emisją CO2 - powiedział Milo. Rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „Cell”.

Osiągnięcie uczonych drastycznie zmienia wewnętrzne funkcjonowanie jednego z najpopularniejszych organizmów modelowych w biologii. W przyszłości E. coli pochłaniające CO2 mogłyby zostać wykorzystane do produkcji biopaliw czy żywności. Produkty wytworzone w ten sposób miałyby niższą emisję w porównaniu z konwencjonalnymi metodami i mogłyby potencjalnie usunąć ten gaz cieplarniany z powietrza.

Inżynieria genetyczna vs natura

Biolodzy zazwyczaj dzielą świat na dwa rodzaje organizmów. Jedne z nich to organizmy autotroficzne, takie jak rośliny i niektóre bakterie, które wykorzystują fotosyntezę czy chemosyntezę do wytwarzania związków organicznych potrzebnych do budowy komórek. Drugie to organizmy heterotroficzne (to my i właściwie wszystko inne), które elementy budulcowe otrzymują z organizmów, które spożywają. Organizmy autotroficzne dominują w biomasie na Ziemi i dostarczają znaczną część naszej żywności i paliw. Lepsze zrozumienie zasad ich funkcjonowania jest kluczowe dla ścieżki do zrównoważonego rozwoju.

Biotechnolodzy od dawna próbują stworzyć syntetyczny autotrofizm w modelowym organizmie heterotroficznym. Inżynieria genetyczna bierze na warsztat rośliny i bakterie autotroficzne, by przeprojektować jest do wytwarzania cennych chemikaliów i paliw z wody i CO2. Może to być znacznie tańsze niż inne drogi. Ale jak dotąd badaczom udało się uzyskać heterotroficzną bakterię Escherichia coli - znaną większości ludzi jako drobnoustrój żyjący w naszych jelitach i czasami wywołujący zatrucie pokarmowe - do produkcji etanolu i innych pożądanych substancji chemicznych. Zmodyfikowane szczepy E. coli muszą jednak być na diecie cukrowej, co zwiększa koszty.

Milo i jego współpracownicy postanowili sprawdzić, czy mogą przekształcić bakterię E. coli w autotrof. W tym celu przeprojektowali dwie zasadnicze części metabolizmu bakterii: sposób, w jaki bakterie pozyskują energię oraz źródło węgla, które używają do wzrostu.

Zmuszane bakterii do zmiany diety

Rośliny i fotosyntetyczne cyjanobakterie - wodne drobnoustroje wytwarzające tlen - wykorzystują energię ze światła do przekształcania lub utrwalania CO2 w budulce życia zawierające węgiel, w tym DNA, białka i tłuszcze. Ale te organizmy są trudne do genetycznej modyfikacji. Natomiast E. coli jest stosunkowo łatwa w inżynierii, a jej szybki wzrost oznacza, że naniesione zmiany można szybko testować i ewentualnie modyfikować, aby zoptymalizować zmiany genetyczne. Problem w tym, że bakteria woli dietę cukrową i zamiast konsumować CO2, emituje gaz jako odpad.

- Z podstawowej naukowej perspektywy chcieliśmy sprawdzić, czy tak ważna transformacja w diecie bakterii - od uzależnienia od cukru do syntezy całej biomasy z CO2 - jest możliwa – wyjaśnił współautor badań Shmuel Gleizer z Weizmann Institute of Science.

By przekształcić bakterie E. Coli w organizm autotroficzny, które wykorzystuję CO2, jako źródło wzrostu, naukowcy dodali im gen kodujący parę enzymów, które pozwalają organizmom fotosyntetycznym przekształcać CO2 w węgiel organiczny. Rośliny i cyjanobakterie wzmacniają tę konwersję światłem, ale implementacja mechanizmu fotosyntezy do innych organizmów jest obecnie poza zasięgiem naukowców. Zamiast tego zespół Milo wprowadził gen, który pozwala bakterii pozyskiwać energię z cząsteczki organicznej zwanej mrówczanem.

Ewolucja

Zmiany te nie skłoniły bakterii E. coli do zmiany diety. Metabolizm bakterii jest dostosowany do wzrostu heterotroficznego. Ale naukowcy się nie poddali. Zdezaktywowali enzymy zaangażowane we wzrost heterotroficzny, czyniąc bakterie bardziej zależnymi od autotroficznych ścieżek wzrostu. Przez rok hodowali kolejne generacje zmodyfikowanych E. coli, podając im mrówczan i niewielkie ilości cukrów, które i tak stopniowo zmniejszali. Za to CO2 dostarczano im w stężeniach około 250 razy większych niż w atmosferze ziemskiej. Chcieli w ten sposób doprowadzić do ewolucji bakterii, by przystosowały się do nowego otoczenia i nowej diety.

Po około 200 dniach pojawiły się pierwsze komórki zdolne do wykorzystania CO2 jako jedynego źródła węgla. Po 300 dniach i setkach pokoleń wyłączono z diety cukry i pozostały tylko te bakterie, które przekształciły się w autotrofy. Jak przyznał Milo, autotroficzne szczepy E. coli mogą nadal rozwijać się na cukrze - i wykorzystywałyby to źródło paliwa chętniej niż CO2. W porównaniu ze zwykłymi E. coli, które mogą podwajać się co 20 minut, autotroficzne E. coli są opóźnione, dzieląc się co 18 godzin, gdy rosną w atmosferze o 10 proc. stężeniu CO2.

11 nowych mutacji genetycznych

W sumie bakterie wyewoluowane 11 nowych mutacji genetycznych, które pozwoliły im przetrwać bez cukrów. - To naprawdę pokazuje, jak niesamowita może być ewolucja, ponieważ może zmienić coś tak fundamentalnego, jak metabolizm komórkowy - powiedział Milo. Jednak nowe szczepy potrzebują wysokiego stężenia CO2. Nie są w stanie przetrwać bez cukrów przy obecnym atmosferycznym poziomie CO2 - obecnie 0,041 proc.

Milo i jego zespół mają nadzieję, że w miarę postępu prac ich bakterie będą rosły szybciej i w przyszłości będą mogły przetrwać przy niższych poziomach CO2. Badacze próbują również zrozumieć, w jaki sposób E. coli ewoluowały, aby konsumować CO2.

Już teraz bakterie E. coli są wykorzystywane do wytwarzania syntetycznych wersji przydatnych substancji chemicznych, takich jak insulina czy ludzki hormon wzrostu. Milo mówi, że praca jego zespołu może rozszerzyć gamę produktów wytwarzane przez bakterię, w tym paliwa odnawialne, żywność i inne substancje. Ale do tego jeszcze daleka droga. Prace naukowców potwierdzają koncepcję, ale upłynie ładnych kilkanaście lat, zanim te organizmy znajdą zastosowanie.

 

Źródło: Science, Nature