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

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...

Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки

Бурые медведи, добывающие пищу на полуост...

Nature: Стволовые клетки растений подскажут, как развивается рак
Nature: Стволовые клетки растений подскажут, как развивается рак

Крошечный корень растения толщиной не бол...

Animal Behaviour: Козы по голосу определяют, злой хозяин или добрый
Animal Behaviour: Козы по голосу определяют, злой хозяин или добрый

Козы могут отличить счастливого человека от&nb...

Current Biology: Сумчатая мышь из Австралии жертвует сном ради секса
Current Biology: Сумчатая мышь из Австралии жертвует сном ради секса

Всем живым существам необходим сон. Когда люди...

Current Biology: Одомашнивание растений влияет на их микробиом
Current Biology: Одомашнивание растений влияет на их микробиом

Новое исследование, проведенное под руков...

Journal of the Geological Society: В окаменелостях нашли ключевые следы эволюции
Journal of the Geological Society: В окаменелостях нашли ключевые следы эволюции

Исследование, проведенное под руководство...

Current Biology: Созданы дрожжи, питающиеся светом
Current Biology: Созданы дрожжи, питающиеся светом

Возможно, вы знаете дрожжи как орган...

Nature Ecology & Evolution: Ученые секвенировали первый геном из класса Myxini
Nature Ecology & Evolution: Ученые секвенировали первый геном из класса Myxini

Международному научному коллективу, состоящему...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Созданы чернила для 3D-печати гибких устройств без механических соединений
Созданы чернила для 3D-печати гибких устройств без механических соединений
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса