Az eredmény az Escherichia coli-t biológiai rendszerré változtathatja az energia, sőt az élelmiszer előállításához.

fogyasztására

Az Escherichia coli baktériumokat széndioxid fogyasztásával módosították növekedésükhöz. [IStock/Claudio Ventrella]

A kutatók létrehozták az Escherichia coli baktériumok olyan törzsét, amely képes növekedni úgy, hogy szén-dioxidot fogyaszt cukor vagy más szerves molekula helyett.

A tudósok szerint az eredmény mérföldkő, mert drasztikusan megváltoztatja a biológia egyik legnépszerűbb modellorganizmusának belső működését. A jövőben pedig az új törzs lehetővé teheti olyan szerves szénmolekulák előállítását, amelyek bioüzemanyagként vagy élelmiszerként felhasználhatók. Az így előállított termékek kibocsátása alacsonyabb lenne a hagyományos gyártási módszerekhez képest, és akár a gázt is eltávolíthatnák a levegőből. A munkát nemrégiben publikálta a Cellben Ron Milo, a Rehovoti Weizmann Tudományos Intézet rendszerbiológusa és munkatársai.

A növények és a cianobaktériumok (fotoszintetikus kapacitású vízi mikroorganizmusok) a fény energiáját használják fel arra, hogy a levegőben lévő CO2-t átalakítsák vagy rögzítsék az élet széntartalmú építőelemeivé, beleértve a DNS-t, a fehérjéket és a zsírokat. De ezeket a szervezeteket nehéz lehet genetikailag módosítani, ami lelassította az erőfeszítéseket, hogy biológiai gyárakká alakítsák őket.

Ezzel szemben az E. coli viszonylag könnyen módosítható, és gyors növekedése lehetővé teszi a változások tesztelését és beállítását a genetikai változások optimalizálása érdekében. A baktériumok azonban inkább olyan cukrokon nőnek, mint a glükóz, és a CO2 elfogyasztása helyett ezt a gázt hulladéktermékként bocsátják ki.

A szerzők az elmúlt évtizedet az E. coli "diéta" ​​manipulálásával töltötték. 2016-ban létrehoztak egy törzset, amely CO2-t fogyasztott, de a vegyület a test szén-dioxid-bevitelének csak egy részét képviselte; a többit piruvátból kaptuk, egy szerves vegyületből, amellyel baktériumokat tápláltak.

Gázalapú étrend

Milo és csapata a laboratóriumban a genetikai és az evolúciós technika keverékét használva létrehozta az E. coli törzsét, amely az összes széndioxidot kihozná a CO2-ből. Először olyan baktériumgéneket vezettek be, amelyek egy pár enzimet kódolnak, amelyek lehetővé teszik a fotoszintetikus organizmusok számára, hogy a szén-dioxidot szerves széndé alakítsák. A növények és a cianobaktériumok a fényt használják energiaforrásként ennek az átalakításnak a végrehajtásához, de az E. coli-tól hiányzik ez a képesség. Tehát a szerzők beillesztettek egy gént, amely lehetővé teszi a baktériumok számára, hogy energiát nyerjenek egy formiát nevű szerves molekulából.

De ezek az újítások ellenére a baktériumok még mindig nem helyettesítették a CO2-t a cukor fogyasztásával. A törzs további módosítása érdekében a kutatók egy évig tenyésztették a módosított E. coli egymást követő nemzedékeit, és csak nyomokban kínálták a cukrot és a CO2-t, körülbelül 250-szer nagyobb koncentrációban, mint a Föld légkörében. Arra számítottak, hogy mutációk alakulnak ki ahhoz, hogy alkalmazkodjanak ehhez az új étrendhez. Körülbelül 200 nap elteltével megjelentek az első sejtek, amelyek képesek szén-dioxidot használni egyedüli szénforrásként. És 300 nap elteltével ezek a baktériumok laboratóriumi körülmények között gyorsabban növekedtek, mint azok, amelyek nem tudták kihasználni a CO2 előnyeit.

A CO2-t vagy autotrófot fogyasztó E. coli törzsek továbbra is fenntartják a cukorral történő növekedés képességét, és ezt az energiaforrást választanák a CO2 előtt, ha lehetőségük lenne rá - mondja Milo. Összehasonlítva a módosítatlan baktériumokkal, amelyek száma 20 percenként megduplázódik, az autotróf E. coli lemarad és 18 óránként eloszlik, ha 10 százalékos CO2-atmoszférában tenyésztik. A jelenlegi 0,041 százalékos légköri szint mellett pedig cukor nélkül nem tudnak túlélni.

Milo és csapata azt reméli, hogy baktériumaik gyorsabban növekednek és alacsonyabb CO2-szinttel élnek. Azt is megpróbálják megérteni, hogyan fejlődött az E. coli, csupán 11 gén módosításával, amíg képes volt CO2-t fogyasztani.

A munka megmutatja a mérnöki és az evolúció együttes erejét a természetes folyamatok javítása érdekében - mondja Cheryl Kerfeld, a Michigani Állami Egyetem és a kaliforniai Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium biomérnöke.

Az E. coli baktériumokat már hasznos anyagok szintetikus változatainak előállítására használják, mint például az inzulin és az emberi növekedési hormon. Milo elmagyarázza, hogy munkájukkal bővülhet az előállítható termékek száma, például megújuló üzemanyagok, élelmiszerek és egyéb anyagok. Nem hiszi azonban, hogy ezek az előrelépések hamarosan bekövetkeznek. Még néhány évbe telik, amíg meglátjuk ennek a mikroorganizmusnak az alkalmazását.

Ewen callaway

A cikket a Research and Science fordította és adaptálta a Nature Research Group engedélyével.

Hivatkozás: «Escherichia coli átalakítása az összes biomassza szén előállításához CO2-ből». Shmuel Gleizer és mtsai. a Cell, vol. 179., 6. szám, pp. 1255-1263, 2019. november.