Исследовательская группа под руководством профессора Донхюк Кима из Школы энергетики и химической инженерии в УНIST (в сотрудничестве с профессором Гю Ёль Юнгом из ПОСТЕХ и доктором Мён Хён Но из Корейского научно-исследовательского института химических технологий) разработала новую эволюционную методику. Она позволяет отбирать штаммы E. coli, более эффективно метаболизирующие ацетат — устойчивый и экономически выгодный источник углерода.
Результаты
Штаммы, эволюционировавшие с помощью этого метода, демонстрируют увеличение способности преобразовывать ацетат в итаконовую кислоту в 1,7 раза. Это ключевое сырьё для экологически чистых клеёв и биопластиков.
Команда ожидает, что это достижение откроет путь для превращения микробных клеточных фабрик в стабильных и эффективных производителей химического сырья. Исследование [опубликовано](https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0960852425002925) в Bioresource Technology.
Итаконовая кислота
Итаконовая кислота — это биоразлагаемый полимер и ключевой компонент медицинских клеёв. В настоящее время она преимущественно производится путём ферментации крахмала грибами. Этот процесс требует значительных пищевых ресурсов и связан с высокими производственными затратами.
Альтернативный подход
В качестве альтернативы предлагается ацетат, который в основном получают из уксуса. Это дешёвый и доступный субстрат. Более того, использование ацетата в сочетании с улавливанием углекислого газа может способствовать снижению выбросов углерода. Однако микробы обычно испытывают трудности с эффективным метаболизмом ацетата из-за его токсичности и метаболической нагрузки, что приводит к ограниченным выходам итаконовой кислоты.
Адаптивная лабораторная эволюция (ALE)
Чтобы преодолеть эту проблему, исследовательская группа использовала подход адаптивной лабораторной эволюции (ALE), отбирая штаммы, которые процветают при высоких уровнях итаконовой кислоты. Они интегрировали биосенсоры, предназначенные для экспрессии генов устойчивости к антибиотикам в ответ на концентрации итаконовой кислоты, полученные из ацетата, в E. coli.
По мере постепенного увеличения уровня антибиотиков во время повторных циклов культивирования выживали и процветали только те штаммы, которые способны производить высокие уровни итаконовой кислоты.
Результаты после 50 поколений лабораторной эволюции
Команда выделила штаммы, демонстрирующие в 1,7 раза более высокую продукцию итаконовой кислоты и более высокие темпы клеточного деления по сравнению с исходными штаммами.
Для выяснения генетической основы этих улучшений были проведены полногеномный и транскриптомный анализы. Примечательно, что эволюционировавшие штаммы обладали большой геномной делецией, охватывающей примерно 31 000 пар оснований, включая два гена, участвующих в метаболизме ацетата и эффективности роста.
Делеция, как выяснилось, индуцирует строгий ответ — механизм адаптации к стрессу, изменяющий физиологию клеток для более эффективного использования ацетата и роста.
Джихун Ву, первый автор исследования, пояснил: «Хотя строгий ответ обычно известен тем, что подавляет рост и сохраняет ресурсы в условиях стресса, в этом случае он удивительно способствовал более эффективному метаболизму ацетата и улучшил как рост, так и производство».
Дальнейшие эксперименты показали, что сверхэкспрессия relA, гена, ответственного за синтез сигнальной молекулы ppGpp, запускающей строгий ответ, воспроизводит улучшенные фенотипы, наблюдаемые у эволюционировавших штаммов.
Профессор Ким прокомментировал: «Благодаря этому эволюционному и системно-биологическому подходу мы переосмыслили физиологические реакции микробов и превратили то, что ранее считалось недостатком — строгий ответ — в преимущество для биопроизводства. Эта стратегия предлагает многообещающие идеи для разработки устойчивых технологий химического производства в эпоху после ископаемого топлива».
Предоставлено [Ульсанским национальным институтом науки и технологий](http://www.unist.ac.kr/index.sko).