В США биологи создали «биотопливный конвейер» из кишечной палочки

Американские биотехнологи вывели несколько штаммов кишечной палочки, способных заменить практически весь конвейер производства биотоплива — эти микроорганизмы умеют расщеплять целлюлозу и другие исходные компоненты биомассы на части, превращать их в сахаристые соединения и использовать для сборки молекул органических веществ, пригодных для использования в качестве готового топлива.
Джей Кислинг (Jay Keasling) из университета Калифорнии в Беркли (США) и его коллеги описали особенности бактерии — «биореактора» и обрисовали перспективы ее применения в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Практически все технологии производства биотоплива делятся на два этапа — расщепление ксилана и целлюлозы при помощи бактериальных или искусственных ферментов и превращение промежуточного продукта в готовое топливо. Невысокая эффективность бактерий-расщепителей целлюлозы и высокая цена на искусственные катализаторы отпугивает потенциальных инвесторов.

Группа ученых под руководством Кислинга смогла объединить оба этих этапа в наборе совместимых друг с другом штаммов кишечной палочки (Escherichia coli), вставив в их геном наборы генов, отвечающих за расщепление целлюлозы и выделение биотоплива.

На первом этапе своей работы авторы статьи сравнили большое количество генов бактерий, пригодных для расщепления биомассы. Они отобрали 10 наиболее эффективных ферментов и вставили соответствующие им гены в ДНК кишечной палочки.

Два из них — фермент-расщепитель ксилана Xyl10 и разрушитель целлюлозы Cel — оказались «рабочими». Бактерии с этими генами успешно расщепляли до 5% целлюлозы и 11% ксилана на небольшие фрагменты-олигомеры. Ученые «настроили» эти гены таким образом, что расщепляющие молекулы выделялись за пределы оболочки бактерии. Это решило одну из главных проблем кишечной палочки — небольшое количество ферментов, которые она выделяет в питательную среду.

Затем биологи провели аналогичные эксперименты с двумя наборами генов, выделенных из ДНК бактерий, способных расщеплять «обрывки» молекул целлюлозы и ксилана. Эти фрагменты были подключены к двум предыдущим таким образом, что они включались лишь в том случае, если в питательном растворе присутствовало достаточное количество олигомеров ксилана и целлюлозы.

Такая архитектура «живого конвейера» позволила ученым добиться невиданных темпов роста — скорость размножения бактерий с «ксилановыми» и «целлюлозными» генами была ограничена лишь концентрацией сахаристых веществ в среде их обитания.

Убедившись в эффективности своих «подопечных» в лабораторных условиях, ученые попытались использовать их на практике. Кислинг и его коллеги подготовили биомассу из листьев и стеблей гигантского проса (Panicum virgatum) — дикого растения из североамериканских прерий. Ученые обработали биомассу при помощи растворителя целлюлозы — ионной жидкости — и добавили полученный раствор в пробирки с бактериями.

В целом, бактерии из той и другой группы успешно заселили новую среду и развивались нормальными темпами, что подтвердило жизнеспособность «конвейерных» штаммов кишечной палочки. Это справедливо и для смешанных колоний из «ксилановых» и «целлюлозных» бактерий — они не мешают друг другу, и их жизнедеятельность не пересекается с химической точки зрения.

После этого эксперимента оставался последний шаг — производство биотоплива. Ученые присоединили к геномам своих кишечных палочек несколько «линий», отвечающих за сборку биоаналогов бензина, дизельного топлива и авиационного керосина.

Как и ожидали ученые, новые штаммы кишечной палочки производили те виды биотоплива, которые были «запрограммированы» Кислингом и его коллегами. Как отмечают биологи, промышленное применение этих штаммов потребует значительного улучшения эффективности ферментов, расщепляющих целлюлозу и ксилан.