PNAS: Ученые превратили бактерии в целлюлозные мини-фабрики

Бактерии производят материалы, которые интересуют человека: целлюлозу, шёлк и минералы. Преимущество такого способа производства в устойчивости, простоте — процесс происходит при комнатной температуре и в воде — и экологичности. Недостаток — в длительности процесса и малых объёмах продукции, что не подходит для промышленного использования.

Исследователи работают над тем, чтобы бактерии быстрее производили большие объёмы нужного продукта. Для этого нужно либо изменить геном бактерий, либо выбрать наиболее подходящие штаммы и их культивировать.

Исследовательская группа под руководством профессора Андре Штударта из ETH Zurich предложила новый подход. Они использовали бактерию Komagataeibacter sucrofermentans, которая производит целлюлозу.

Учёные применили принципы естественного отбора и быстро получили десятки тысяч вариантов бактерии. Затем они отобрали те штаммы, которые производят больше всего целлюлозы. Этот материал широко используется в биомедицине, производстве упаковочных материалов и текстиля. Два свойства этой целлюлозы — она способствует заживлению ран и предотвращает инфекции.

Бактерии растут медленно и производят ограниченное количество целлюлозы, поэтому учёные искали способ увеличить её производство.

Исследователь Жюли Лоран разработала метод, который позволил получить новые варианты бактерии Komagataeibacter. Эти варианты производят на 70% больше целлюлозы по сравнению с исходной формой бактерии.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале PNAS.

Ускорение эволюции с помощью ультрафиолетового света

Для получения новых вариантов бактерии Жюли облучила бактериальные клетки ультрафиолетовым светом, что вызвало мутации в ДНК бактерий. Затем она поместила бактерии в тёмное помещение, чтобы предотвратить восстановление ДНК и закрепить мутации.

С помощью миниатюрного аппарата она поместила бактериальные клетки в питательный раствор и позволила им вырабатывать целлюлозу. Затем, используя флуоресцентную микроскопию, она проанализировала, сколько целлюлозы произвела каждая клетка.

Команда Штударта применила систему сортировки, разработанную группой химика Эндрю-де Мелло из ETH. Эта система автоматически отсортировала те клетки, которые производят много целлюлозы. Она работает быстро: за несколько минут сканирует лазером полмиллиона капель и выбирает те, где больше всего целлюлозы. Осталось только четыре клетки, производящие на 50–70% больше целлюлозы, чем обычно.

Эволюционировавшие клетки K. sucrofermentans могут производить целлюлозу в стеклянных флаконах на границе между воздухом и водой. В природе такой материал весит 2-3 мг и имеет толщину около 1,5 мм. У новых эволюционировавших вариантов целлюлозные маты тяжелее и толще почти в два раза, чем у дикого типа.

Джули Лоран и её коллеги проанализировали четыре варианта с генетической точки зрения. Они хотели выяснить, какие гены изменились под воздействием ультрафиолетового света и как эти изменения привели к перепроизводству целлюлозы.

Оказалось, что у всех четырёх вариантов была одна и та же мутация в гене, который представляет собой чертёж фермента, расщепляющего белки — протеазы. При этом гены, контролирующие производство целлюлозы, не изменились. Исследователи предполагают, что протеаза разрушает белки, которые регулируют производство целлюлозы. Без этой регуляции клетка больше не может остановить процесс, — объясняет исследователь.

Ожидаются патенты

Новый подход применим к бактериям, производящим другие материалы.

Раньше такой подход использовали для создания бактерий, которые производят определённые белки или ферменты. Андре Штударт, профессор ETH, считает эту работу важной вехой. Исследователи хотят получить патент на подход и мутировавшие варианты бактерий.

В планах — сотрудничество с компаниями по производству бактериальной целлюлозы для тестирования нового микроорганизма в промышленных условиях.

30.07.2024