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 CO_². Исследователи из Института наземной микробиологии Макса Планка разработали синтетический биохимический цикл, который напрямую преобразует CO_² 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 CO_² в контексте живых клеток.

Разработка новых способов улавливания и преобразования CO_² является ключевым фактором в борьбе с чрезвычайной климатической ситуацией. Синтетическая биология открывает возможности для разработки новых для природы путей фиксации CO_², которые улавливают CO_² 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 CO_², 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 CO_²: кротонил-CoA карбоксилазы/редуктазы и фосфоенолпируваткарбоксилазы. Исследователи обнаружили эти мощные биокатализаторы в бактериях. Хотя каждая из карбоксилаз может захватывать CO_² в 10 раз быстрее, чем RubisCO, фермент, фиксирующий CO_² в хлоропластах, эволюция сама по себе не объединила эти способные ферменты в естественном фотосинтезе.

Цикл THETA превращает две молекулы CO_² 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 CO_².

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 CO_² 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 CO_²-фиксации на клеточных фабриках. Мы учимся полностью перепрограммировать клеточный метаболизм, чтобы создать синтетическую автотрофную операционную систему для клетки“.

02.01.2024