Инженерные бактерии борятся с изменением климата

Во время экспериментов в Объединенном институте биоэнергетики при Министерстве энергетики США исследователи наблюдали за сконструированным штаммом бактерий Streptomyces, поскольку он производил циклопропаны, высокоэнергетические молекулы, которые потенциально можно было бы использовать для устойчивого производства новых биоактивных соединений и современного биотоплива. Предоставлено: Цзин Хуан/Лаборатория Беркли.

Исследователи обнаружили новый путь развития бактерий, который может обезуглероживать различные отрасли промышленности.

Этот прорыв может значительно сократить выбросы парниковых газов, образующихся при производстве топлива, лекарств и химикатов.

Совместные исследования между Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли и Калифорнийским университетом в Беркли привели к разработке бактерий, которые могут производить уникальные продукты на основе углерода. Этот прорыв может открыть многообещающий путь к производству устойчивых биохимических веществ.

Открытие, недавно опубликованное в журнале Nature , использует бактерии для интеграции естественных ферментативных реакций с новой реакцией, известной как «реакция переноса карбена». Это исследование может уменьшить промышленные выбросы, предоставив устойчивые альтернативы традиционным методам химического производства, которые обычно основаны на ископаемом топливе.

«В этой статье мы показали, что в этой реакции мы можем синтезировать все — от природных ферментов до карбенов — внутри бактериальной клетки. Все, что вам нужно добавить, — это сахар, а клетки сделают все остальное», — сказал Джей Кислинг, главный исследователь исследования и генеральный директор Объединенного института биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики.

Свойства карбенов

Карбены представляют собой высокореактивные химические вещества на основе углерода, которые можно использовать во многих различных типах реакций. В течение десятилетий ученые хотели использовать карбеновые реакции в производстве топлива и химикатов, а также при открытии и синтезе лекарств.

Но эти карбеновые процессы можно было проводить только небольшими партиями через пробирки, и для запуска реакции требовались дорогие химические вещества.

В новом исследовании исследователи заменили дорогие химические реагенты натуральными продуктами, которые могут быть получены с помощью модифицированного штамма бактерий Streptomyces. Поскольку бактерии используют сахар для производства химических продуктов посредством клеточного метаболизма, «эта работа позволяет нам выполнять химию карбенов без токсичных растворителей или токсичных газов, обычно используемых в химическом синтезе», — сказал первый автор Цзин Хуан, постдокторский исследователь лаборатории Беркли в Кислинге. лаборатория «Этот биологический процесс намного более безвреден для окружающей среды, чем то, как сегодня синтезируются химические вещества», — сказал Хуанг.

Наблюдения за сконструированной бактерией

Во время экспериментов в JBEI исследователи наблюдали за сконструированной бактерией, когда она метаболизирует и превращает сахара в предшественник карбена и алкеновый субстрат.

• Бактерия также экспрессировала развитый фермент P450, который использовал эти химические вещества для производства циклопропанов, высокоэнергетических молекул, которые потенциально могут быть использованы для устойчивого производства новых биоактивных соединений и современного биотоплива.
• «Теперь мы можем проводить эти интересные реакции внутри бактериальной клетки. Клетки производят все реагенты и кофакторы, а это означает, что вы можете масштабировать эту реакцию до очень больших масштабов для массового производства, — сказал Кизлинг.
• По словам Хуанга, привлечение бактерий для синтеза химических веществ также может сыграть важную роль в сокращении выбросов углерода. По данным других исследователей из лаборатории Беркли, около 50% выбросов парниковых газов приходится на производство химикатов, железа, стали и цемента.
• Ограничение глобального потепления на 1,5 градуса по Цельсию сверх доиндустриального уровня потребует резкого сокращения выбросов парниковых газов вдвое к 2030 году, говорится в недавнем отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата.

Хуанг сказал, что, хотя эта полностью интегрированная система может быть предусмотрена для большого количества молекул доноров карбенов и алкеновых субстратов, она еще не готова к коммерциализации.

«Для каждого нового продвижения кто-то должен сделать первый шаг. А в науке могут пройти годы, прежде чем вы добьетесь успеха. Но вы должны продолжать попытки – мы не можем позволить себе сдаться. Я надеюсь, что наша работа вдохновит других на дальнейший поиск более экологичных и устойчивых решений для биопроизводства», — сказал Хуанг.

Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики и Управлением биологических и экологических исследований Министерства энергетики США. Дополнительную поддержку оказал Национальный научный фонд.

Источник

Метки: Биотехнология