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.
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).
Исследование тайваньских ученых показало, что хотя сменить источник электронов и углерода у бактерий и сложно, но возможно. В дальнейшем можно будет создать штаммы E. coli, которые производят из метанола конкретные нужные человеку вещества. Если удастся внедрить бактерии гены метанмонооксигеназ, превращающих метан в метанол, и они будут работать, тогда «синтетические» метилотрофы смогут питаться метаном и появится новый способ утилизации этого парникового газа. Существующих метанотрофов сложно использовать для этой цели, так как им для жизни обычно нужна среда, далекая от лабораторной, — почва, лед или тела других организмов.
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.
Источник: N+1