Университет Висконсина-Мэдисона разрабатывает микробы для производства дуплексных растительных волокон

Мы часто обращаемся к мельчайшим формам жизни, чтобы помочь решить самые большие проблемы: микробы помогают производить еду и напитки, лечить болезни, перерабатывать отходы и даже очищать загрязнения. Дрожжи и бактерии также могут превращать растительные сахара в биотопливо и химические вещества, традиционно получаемые из ископаемого топлива, что является ключевым компонентом большинства планов по замедлению изменения климата.

Теперь исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон разработали бактерии, которые могут производить два химических продукта одновременно из неиспользованных растительных волокон. В отличие от людей, эти многозадачные микробы одинаково хорошо справляются и с тем, и с другим.

«Насколько мне известно, это один из первых случаев, когда из одного микроба можно одновременно производить два ценных продукта», — говорит он. Тим Донохьюпрофессор бактериологии Университета Висконсин-Мэдисон и директор Центр биоэнергетических исследований Великих озер.

открытие, Подробно в статье В декабрьском номере журнала «Прикладная и экологическая микробиология» говорится, что это может помочь сделать биотопливо более устойчивым и коммерчески жизнеспособным.

«В принципе, эта стратегия снижает чистые выбросы парниковых газов и улучшает экономику», — говорит Донохью. «Количество энергии и парниковых газов, необходимое для производства двух продуктов в одном горшке, будет меньше, чем при использовании двух горшков для производства одного продукта в каждом горшке».

Каждая молекула важна

Стремление заменить ископаемое топливо устойчивыми альтернативами зависит от извлечения максимально возможной пользы из возобновляемой биомассы. Как и в случае с нефтехимией, здесь важна каждая молекула: небольшие объемы дорогостоящей продукции помогают поддерживать доступные цены на топливо.

Одним из самых больших препятствий является часть стенки растительной клетки, называемая лигнином. Лигнин является наиболее распространенным в мире источником возобновляемого ароматического углерода, но из-за его нерегулярной структуры его расщепление на полезные компоненты чрезвычайно затруднено.

Вот почему ученые из GLBRC изучали бактерии под названием Novosphingobiumomaticivorans (иногда называемые Novo), которые могут переваривать многие компоненты лигнина и относительно легко поддаются генетической модификации.

В 2019 году исследователи Инженер Штамм Novo, который может производить основной компонент пластмасс, таких как нейлон и полиуретан, известный как PDC. Недавно команда из лаборатории Донохью Откройте для себя еще одно изменение Это позволяет Novo производить другой пластиковый компонент под названием ccMA.

Но они не остановились на этом.

«Мы не собираемся решать проблему выбросов углекислого газа, производя всего два продукта», — говорит он. Бен ХоллНедавний выпускник докторантуры внес свой вклад в исследование.

Команда Донохью использовала геномное моделирование, чтобы составить список потенциальных продуктов, которые можно производить из ароматических веществ биомассы. В верхней части списка находился зеаксантин, один из группы органических пигментов, известных как каротиноиды.

Каротиноиды, которые придают моркови, кабачкам, лососю и даже фламинго их характерный цвет, используются в качестве пищевых добавок, лекарств и косметики, их совокупная рыночная стоимость составляет десятки миллиардов долларов в год.

Исследователи знали, что у Ново есть гены, позволяющие производить еще один каротиноид с небольшой рыночной стоимостью. Основываясь на последовательности бактериального генома, они предположили, что зеаксантин является отправной точкой для менее ценного каротиноида в процессе, который клетки используют для создания сложных молекул. Это был всего лишь вопрос изменения правильных генов, чтобы остановить пищеварительный сборочный конвейер на самом ценном продукте.

Удаляя или добавляя выбранные гены, они создали штаммы, которые производят зеаксантин, а также другие ценные каротиноиды — бета-каротин, ликопин и астаксантин — при выращивании на ароматическом соединении, обычно содержащемся в лигнине.

Затем команда показала, что сконструированные бактерии могут производить те же каротиноиды из жидкости, полученной из измельченных и обработанных стеблей сорго, раствора, содержащего смесь ароматических веществ, которые многие промышленные бактерии не могут переварить.

Одна чаша, два продукта

Затем Холл задался вопросом, что произойдет, если он объединит генетические изменения, необходимые для производства PDC и каротиноидов, в одном и том же микробе.

Полученные штаммы продуцировали как PDC, так и целевой каротиноид – без значительной потери урожая. Более того, бактерии накапливают каротиноиды внутри своих клеток, которые необходимо отделить от раствора, содержащего PDC, который они секретируют.

«Мы фактически отделили клетки от среды», — говорит Холл. «Теперь у нас будет продукт, основанный на обоих».

Следующие шаги включают в себя тестирование того, могут ли сконструированные штаммы производить каротиноиды и ccMA одновременно, что, по мнению Донохью, они и сделают, а также разработку штаммов для повышения производительности в промышленных условиях.

Хотя для каждого из этих продуктов существуют прибыльные рынки, Донохью и Холл говорят, что реальная ценность открытия заключается в возможности добавить к этой биологической платформе множество функций.

«Для меня речь идет о стратегии и продуктах», — говорит Донохью. «Теперь, когда мы это сделали, я думаю, это открывает возможность увидеть, сможем ли мы создать еще одну микробную структуру, производящую два продукта».

Эта работа поддерживалась Центром биоэнергетических исследований Великих озер, Министерством энергетики США, Управлением науки, Управлением биологических и экологических исследований, а также грантом на обучение Национального института здравоохранения.