Ученые стабилизировали колонию бактерий и дрожжей для производства топлива

Исследователи из Принстона разработали технологию использования света. Она помогает контролировать рост колонии микроорганизмов световыми импульсами и стабилизировать ее состояние для более эффективного производства химикатов.

При совместном выращивании дрожжи и кишечная палочка обычно конкурируют, и самый быстрорастущий штамм побеждает другие. Это разрушает сообщество микроорганизмов и препятствует производству химических веществ. Команда ученых спроектировала колонию бактерий кишечной палочки (Escherichia coli) и пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae). В каждый штамм включили гены, ответственные за производство химических веществ. В частности, подразумевалось производство изобутилацетата — современного биотоплива, и нарингенина — противовоспалительного средства.

В первой колонии генетически модифицированная кишечная палочка превращает сахара в изобутанол, выделяемый в окружающую среду. Затем дрожжи поглощают этот изобутанол и превращают его в нужный конечный продукт — изобутилацетат.

Мы используем уникальные сильные стороны каждого организма. Кишечная палочка лучше производит простые строительные блоки, а дрожжи эффективнее превращают их в сложные молекулы

текст исследования

Такое разделение функций — идея не новая. Используя несколько микробов, исследователи избегают слишком обширных генетических модификаций в организме существа, которые в дальнейшем могут поставить под угрозу эффективность. Этот подход снижает нагрузку на отдельные клетки и оптимизирует метаболические процессы в организме.

Проблема же заключается в том, что штаммы не запрограммированы на совместную работу или эффективное сосуществование. Обычно, когда кишечная палочка и дрожжи выращивают вместе без контроля светом, палочка вытесняет дрожжи, потому что скорость ее роста намного выше.

Ранее уже предлагались элегантные решения, например создание условий, где два вида зависят друг от друга. Но такие стратегии строятся на расчете стартовых популяций, что затрудняет контроль роста и оптимизацию состава колоний для химического производства во время ферментации. Иными словами, даже если меняется стартовый состав и соотношения, нет никакого контроля над тем, что происходит дальше. Свет дает такой инструмент контроля.

В эксперименте команда не пыталась добиться определенного соотношения кишечной палочки и дрожжей или уровня производства топлива. Они хотели доказать принцип и продемонстрировать, что оптогенетика (применение света для контроля экспрессии генов) в принципе может использоваться, чтобы помочь культурам стабильно расти вместе в желаемом составе. А еще — улучшить производство представляющих интерес химических веществ. Оптогенетика ранее не использовалась для стабилизации совместно живущих культур. Обычно с помощью света изучают клеточные процессы, но применение света для контроля метаболизма становится все более популярным.

Подвергая соседствующие культуры воздействию световых импульсов, исследователи определили условия, в которых производилось большее количество нужного химического вещества. К наиболее объемной выработке химикатов привели средние воздействия света. Исследование показало, что конечное производство изобутилацетата было на 83% выше при использовании светорегулируемого бактериального штамма по сравнению с использованием светочувствительного штамма.

Ученые заявили, что эта работа открывает двери для более широкого и успешного использования совместных культур в разных областях. Например, сообщества микробов могут пригодиться для биоремедиации, когда несколько организмов будут одновременно поедать разные загрязнители. Совместное культивирование также может быть полезно в сельскохозяйственных и пищевых технологиях, а также для изучения микробиомов.