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

Шотландия призывает волков, чтобы сохранить леса и климат
Шотландия призывает волков, чтобы сохранить леса и климат

Новое исследование ученых из Университета...

Апеннинские медведи борются за выживание из-за слабой батарейки
Апеннинские медведи борются за выживание из-за слабой батарейки

Апеннинский бурый медведь, или марсиканск...

Как стерхи вернулись: история успеха экологического проекта
Как стерхи вернулись: история успеха экологического проекта

Якутские ученые, изучающие птиц, насчитали око...

Масляные секреты червей: как химия поверхности меняет их жизнь
Масляные секреты червей: как химия поверхности меняет их жизнь

Новое исследование показало, как устроена...

Витамины для коров и быки весом в тонну: прорыв от СПбГУВМ
Витамины для коров и быки весом в тонну: прорыв от СПбГУВМ

Профессор Елена Корочкина из Санкт-Петерб...

SciAdv: Секрет меха белого медведя может спасти от наледи лопасти и крылья
SciAdv: Секрет меха белого медведя может спасти от наледи лопасти и крылья

Природная способность меха белого медведя прот...

Биологи спрогнозировали численность вредителей леса с точностью до 90%
Биологи спрогнозировали численность вредителей леса с точностью до 90%

Биологи вывели математическое уравнение, котор...

Магнитные бури мешают простейшим животным кушать и размножаться
Магнитные бури мешают простейшим животным кушать и размножаться

Нейробиологи установили, что высокая солн...

Синие кольца на деревьях и кустарниках говорят о холодах в прошлом
Синие кольца на деревьях и кустарниках говорят о холодах в прошлом

Когда наступают холода, даже крепкие деревья и...

WOAH: В Германии впервые с 1988 года наблюдается вспышка ящура
WOAH: В Германии впервые с 1988 года наблюдается вспышка ящура

Правительство Великобритании усилило меры биол...

Nature Food: Ученые обосновали академическую ценность навоза
Nature Food: Ученые обосновали академическую ценность навоза

Исследователи использовали данные о навоз...

NatComm: В щупальцах осьминога больше нейронов, чем в мозге
NatComm: В щупальцах осьминога больше нейронов, чем в мозге

Щупальца осьминогов двигаются с невероятн...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Две казанские студентки, одно изобретение и большой шаг для экологии
Две казанские студентки, одно изобретение и большой шаг для экологии
GPT PHI-4 в деле: автоматизация облачных серверов стала проще
GPT PHI-4 в деле: автоматизация облачных серверов стала проще
Новый рулевой КАИ Кирилл Охоткин: что ждет университет
Новый рулевой КАИ Кирилл Охоткин: что ждет университет
Вода без яда: как томские ученые победили мышьяк
Вода без яда: как томские ученые победили мышьяк
Математика против вирусов: как ученые СПбГУ научились предсказывать эпидемии
Математика против вирусов: как ученые СПбГУ научились предсказывать эпидемии
Наука и Победа: школьники Чечни вспомнили великие достижения советских ученых
Наука и Победа: школьники Чечни вспомнили великие достижения советских ученых
Как Плутон потерял статус планеты и что нашли ученые
Как Плутон потерял статус планеты и что нашли ученые
Т-клетки и В-клетки: новые герои в борьбе с раком
Т-клетки и В-клетки: новые герои в борьбе с раком
Атомный ренессанс: Швеция возвращается к ядерной энергии
Атомный ренессанс: Швеция возвращается к ядерной энергии
Невидимая угроза: что скрывается в воздухе общественных туалетов
Невидимая угроза: что скрывается в воздухе общественных туалетов
Почему одни помнят сны, а другие нет? Ученые нашли ответ
Почему одни помнят сны, а другие нет? Ученые нашли ответ
Трава, которая объединяет: как пастбища снижают напряженность в Кении
Трава, которая объединяет: как пастбища снижают напряженность в Кении
От мигрени до Альцгеймера: что значат гормоны для мозга
От мигрени до Альцгеймера: что значат гормоны для мозга
Nature Genetics: Тайны ДНК помогут понять, что на самом деле вызывает рак
Nature Genetics: Тайны ДНК помогут понять, что на самом деле вызывает рак
Тайны диатомовых водорослей: что происходит, когда вода становится соленой
Тайны диатомовых водорослей: что происходит, когда вода становится соленой

Новости компаний, релизы

Более 200 нижегородцев посетили научные кинопоказы честь Дня российской науки
Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
На Фестивале «Москва — Точка старта» победили проекты из МИФИ
СПбГУВМ анонсировал лабораторию для развития племенного животноводства
Ученые Казанского ГАУ выявили культуры, способные снизить выбросы CO2 в атмосферу на 25-27%