Ученые заставили микроб полюбить токсичный газ для биотоплива

Фото из открытых источников

Исследователи добились революционного прорыва в области биотехнологий, научив смертоносный для микробов угарный газ служить питательной средой для бактерии T. kivui, говорится в исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature Communications.

Данный микроорганизм отличается способностью функционировать при высоких температурах и синтезировать сложные органические соединения из элементарных компонентов, включая диоксид углерода и молекулярный водород. Подобные характеристики делают бактерию перспективной для промышленного применения на предприятиях, специализирующихся на переработке растительных отходов в синтетический газ.

Производственные возможности модифицированного микроорганизма охватывают получение уксусной кислоты в базовом варианте, а при внесении генетических изменений — синтез этилового спирта и изопропанола, востребованных в топливной и химической отраслях. Подобный подход способствует формированию циркулярной экономики, где углеродные соединения используются максимально эффективно.

Основным препятствием для широкого внедрения технологии служила токсичность монооксида углерода для большинства микробных культур, включая изучаемую бактерию. Однако научная группа разработала методику постепенной адаптации микроорганизма к ядовитому веществу.

"Изначально бактерия просто преодолела страх перед угарным газом, а затем освоила его в качестве единственного энергетического и углеродного ресурса", — отмечает исследователь Стефан Пфлюгль.

Поразительным фактом стала скорость приспособления микроорганизма, которая составила всего несколько генетических циклов. Детальный анализ генома выявил ключевую роль транспозона — мобильного генетического элемента, случайно изменившего метаболические свойства бактерии.

Транспозонные последовательности представляют собой перемещающиеся фрагменты наследственного материала, способные спонтанно менять положение в геноме и провоцировать мутационные процессы. Именно такой элемент обеспечил успешную адаптацию T. kivui к токсичному газу.

Полученные результаты открывают новые горизонты для понимания механизмов бактериальной адаптации и создают основу для биотехнологических разработок. Многие микробные виды обладают системой CRISPR/Cas — защитным механизмом против вирусных инфекций, разрушающим чужеродную генетическую информацию.

"Мы применили данную систему для прецизионного генетического редактирования. Разработанная нами технология Hi-TARGET обеспечивает возможность удаления, модификации или встраивания генетических последовательностей", — поясняет Пфлюгль.

Команда ученых создала бактериальный штамм, практически неотличимый от природного аналога, но достигла этого результата значительно быстрее и со стопроцентной эффективностью. Новые возможности позволяют проводить эксперименты по усилению активности транспозонных генов и заставлять T. kivui синтезировать более сложные химические соединения из энергетически бедных субстратов.

"Описанные принципы применимы к другим газоутилизирующим бактериям", — подчеркивает Пфлюгль.

Разработанная методика ускоряет создание промышленных микробных штаммов, способных перерабатывать древесные отходы и сельскохозяйственные остатки в ценные химические продукты. Такие микроорганизмы смогут производить альтернативное топливо без использования нефтяного сырья и эффективно утилизировать угарный газ, традиционно вредный для микробной жизни.

Технология представляет собой важный шаг на пути к безотходному производству, где даже углекислый газ и монооксид углерода становятся полезным сырьем. Остается неясным вопрос стабильности генетических изменений в T. kivui — сохранятся ли приобретенные свойства через множество поколений или бактерия вернется к первоначальному состоянию.

Дополнительным ограничением служит высокая стоимость реактивов для генетического редактирования, что может затруднить применение метода в регионах с ограниченным финансированием научных исследований.