Группа исследователей под руководством Штефана Пфлюгля из Института химической инженерии, инженерии окружающей среды и биологических наук при Венском техническом университете модифицировала бактерию Thermoanaerobacter kivui (T. kivui) таким образом, что она может метаболизировать угарный газ (CO).
Использование в биореакторах
При использовании в биореакторах бактерия может способствовать преобразованию синтез-газа, который состоит из угарного газа (CO), углекислого газа (CO₂) и водорода (H₂), в ценные продукты.
Описание исследования
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, Пфлюгль и его команда сообщили о том, как можно заставить T. kivui использовать CO в качестве единственного источника энергии. В исследовании, опубликованном в журнале Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, команда также описала свой метод генетической модификации T. kivui в течение 12 дней для получения желаемых характеристик.
Свойства бактерии
T. kivui растёт при высоких температурах и способна производить органические вещества из простых молекул, таких как углекислый газ и водород. Эти свойства позволяют использовать бактерию в связке с установками по газификации биомассы, например, для переработки синтез-газа, полученного из отходов биомассы, таких как сельскохозяйственные остатки или древесные отходы.
Применение бактерии
T. kivui может быть использована, например, для устойчивого производства уксусной кислоты путём газовой ферментации, а после соответствующей генетической модификации — этанола или изопропанола, которые используются в качестве биотоплива или химического сырья. Эта технология может быть использована для создания экономики замкнутого цикла углерода на основе возобновляемых ресурсов.
Адаптация к угарному газу
Угарный газ естественным образом токсичен для многих микроорганизмов, включая T. kivui, и подавляет рост. Однако исследователям удалось постепенно адаптировать бактерию к угарному газу. Позже она даже смогла использовать угарный газ в качестве единственного источника энергии и углерода. T. kivui приобрела эту способность естественным образом в течение всего нескольких поколений.
Исследование генома
Анализ генома показал исследователям, что за новые свойства отвечает транспозон, то есть специфический мобильный сегмент ДНК. Это открытие не только углубляет понимание того, как микроорганизмы адаптируются к окружающей среде, но и демонстрирует, как естественные эволюционные механизмы могут быть использованы в биотехнологических целях.
Механизм CRISPR/Cas
Многие бактерии имеют естественный механизм защиты для распознавания вирусной ДНК и обезвреживания её. Этот механизм, также известный как генетические ножницы CRISPR/Cas, может быть использован для специфической модификации ДНК. С помощью метода Hi-TARGET исследователи могут удалять, модифицировать гены или добавлять новые.
Результаты исследования
Исследовательской группе удалось разработать штамм бактерий, который имеет очень похожие характеристики с тем, который развился естественным путём. Новый метод не только значительно быстрее, чем устоявшиеся методы генной инженерии, но и позволил достичь 100% успеха.
Перспективы
Целенаправленная генетическая манипуляция с использованием Hi-TARGET открывает перед исследователями новые возможности: как изменяются свойства T. kivui при переэкспрессии генов, содержащихся в транспозоне? И можно ли модифицировать T. kivui таким образом, чтобы организм мог производить более сложные продукты из таких субстратов, как CO₂, H₂ и CO, которые содержат мало энергии?
«Знания, которые мы получили от T. kivui, могут быть переданы и другим микроорганизмам, которые метаболизируют газообразные субстраты», — говорит Пфлюгль.
Предоставлено Венским техническим университетом.