Nature Catalysis: Сделан первый шаг к синтетической фиксации CO2 в живых клетках

Синтетическая биология дает возможность создавать биохимические пути для захвата и преобразования углекислого газа или CO2. Исследователи из Института наземной микробиологии Макса Планка разработали синтетический биохимический цикл, который напрямую преобразует CO2 в центральный строительный блок ацетил-CoA.

Исследователи смогли реализовать каждый из трех модулей цикла в бактерии E.coli, что представляет собой важный шаг к реализации синтетических путей фиксации CO2 в контексте живых клеток.

Разработка новых способов улавливания и преобразования CO2 является ключевым фактором в борьбе с чрезвычайной климатической ситуацией. Синтетическая биология открывает возможности для разработки новых для природы путей фиксации CO2, которые улавливают CO2 более эффективно, чем те, которые были разработаны в природе. Однако реализация этих новых для природы путей в различных системах in vitro и in vivo все еще представляет собой фундаментальную проблему.

Теперь исследователи из группы Тобиаса Эрба разработали и сконструировали новый синтетический путь фиксации CO2, так называемый цикл THETA. Он содержит несколько центральных метаболитов в качестве промежуточных продуктов, а его выходом является центральный строительный блок, ацетил-CoA. Эта особенность позволяет разделить его на модули и интегрировать в центральный метаболизм E. coli.

Весь цикл THETA включает 17 биокатализаторов и разработан на основе двух самых быстрых из известных на сегодняшний день ферментов, фиксирующих CO2: кротонил-CoA карбоксилазы/редуктазы и фосфоенолпируваткарбоксилазы. Исследователи обнаружили эти мощные биокатализаторы в бактериях. Хотя каждая из карбоксилаз может захватывать CO2 в 10 раз быстрее, чем RubisCO, фермент, фиксирующий CO2 в хлоропластах, эволюция сама по себе не объединила эти способные ферменты в естественном фотосинтезе.

Цикл THETA превращает две молекулы CO2 в одну молекулу ацетил-КоА за один цикл. Ацетил-CoA является центральным метаболитом почти во всех видах клеточного обмена и служит строительным блоком для широкого спектра жизненно важных биомолекул, включая биотопливо, биоматериалы и фармацевтические препараты, что делает его соединением, представляющим большой интерес для биотехнологических приложений. Сконструировав цикл в пробирках, исследователи смогли подтвердить его функциональность. Затем началось обучение: благодаря рациональной оптимизации с помощью машинного обучения в ходе нескольких раундов экспериментов команда смогла повысить выход ацетил-CoA в 100 раз. Для того чтобы проверить его применимость в естественных условиях, необходимо поэтапно внедрить его в живую клетку. Для этого исследователи разделили цикл THETA на три модуля, каждый из которых был успешно внедрен в бактерию E. coli. Функциональность этих модулей была проверена с помощью селекции, связанной с ростом, и/или изотопного мечения.

Особенностью этого цикла является то, что он содержит несколько промежуточных продуктов, которые служат центральными метаболитами в метаболизме бактерии. Такое совпадение дает возможность разработать модульный подход для его реализации, — объясняет Шаньшань Луо, ведущий автор исследования.

Мы смогли продемонстрировать функциональность трех отдельных модулей в E. coli. Однако нам пока не удалось замкнуть весь цикл, чтобы кишечная палочка могла расти полностью на CO2.

Замыкание цикла THETA все еще представляет собой серьезную проблему, поскольку все 17 реакций должны быть синхронизированы с естественным метаболизмом E. coli, который, естественно, включает в себя от сотен до тысяч реакций. Однако демонстрация всего цикла in vivo — не единственная цель, подчеркивает исследователь.

Наш цикл может стать универсальной платформой для получения ценных соединений непосредственно из CO2 путем расширения его выходной молекулы, ацетил-CoA, — говорит Шаньшань Луо.

«Внедрение частей цикла THETA в живые клетки — важное доказательство принципа синтетической биологии», — добавляет Тобиас Эрб. „Модульная реализация этого цикла в E. coli открывает путь к реализации очень сложных, ортогональных, новых для природы путей CO2-фиксации на клеточных фабриках. Мы учимся полностью перепрограммировать клеточный метаболизм, чтобы создать синтетическую автотрофную операционную систему для клетки“.

02.01.2024


Подписаться в Telegram



Биосфера

Ученые СПбГУ: Бактериальные споры способны пережить падение из космоса
Ученые СПбГУ: Бактериальные споры способны пережить падение из космоса

Математики Санкт-Петербургского государственно...

Animal Biotelemetry: Меховые метки улучшат технологию слежения за медведями
Animal Biotelemetry: Меховые метки улучшат технологию слежения за медведями

Благодаря новым приборам для отслеживания...

Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось

Международная группа исследователей под р...

Frontiers in Veterinary Science: Открыт способ отучить кошек царапать мебель
Frontiers in Veterinary Science: Открыт способ отучить кошек царапать мебель

Многие владельцы кошек сталкиваются с тем...

Ученый объяснил, как планктон выживает в турбулентных потоках
Ученый объяснил, как планктон выживает в турбулентных потоках

Как движутся частицы в турбулентных жидко...

EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь

Группа ученых из Университета Нагоя, Япон...

Frontiers in Bee Science: Жара мешает шмелям полноценно размножаться
Frontiers in Bee Science: Жара мешает шмелям полноценно размножаться

В результате климатического кризиса глобальное...

Journal of the AChemSociety: Синтетика вызывает хаос в первичном бульоне
Journal of the AChemSociety: Синтетика вызывает хаос в первичном бульоне

Наше тело состоит из триллионов различных...

Evolution: Островные летучие мыши одного вида эволюционируют по-разному
Evolution: Островные летучие мыши одного вида эволюционируют по-разному

Исследователь из Мельбурнского университе...

New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад

По мнению исследовательской группы под ру...

Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах
Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах

Тропические бабочки Heliconius хорошо известны...

Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды

В новом исследовании неврологи показали, как&n...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов

Новости компаний, релизы

Московский вуз готовит профессионалов для защиты учебных заведений
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Московский Политех и ведущие российские компании запускают 79 практико-ориентированных образовательных программ
Студенты Университета МИСИС выиграли 2.8 млн рублей в хакатоне «Лидеры цифровой трансформации»
U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред