Обычная почвенная бактерия может реорганизовать свой метаболизм, чтобы превращать растительные отходы в энергию

от

Учёные давно поражены способностью бактерий переваривать, казалось бы, неперевариваемое, включая углерод из лигнина — прочного древесного материала, который придаёт растениям жёсткость.

Новое исследование Северо-Западного университета показывает, что Pseudomonas putida, обычная почвенная бактерия, полностью реорганизует свой метаболизм, чтобы использовать эти сложные углеводы. Замедляя одни метаболические пути и ускоряя другие, бактерия умудряется извлекать энергию из лигнина, не истощая себя.

Результаты могут иметь значение для биоперерабатывающей промышленности

Результаты исследования могут быть полезны для биоперерабатывающей промышленности, которая давно пытается использовать Pseudomonas putida для расщепления лигнина и его превращения в биотопливо, пластмассы и другие полезные химические вещества. Новая информация может помочь исследователям построить эффективные и продуктивные микробные фабрики.

Исследование опубликовано в Communications Biology. Оно представляет собой первый количественный план того, как бактерии координируют углеводный метаболизм и производство энергии во время переваривания лигнина.

«Лигнин — это распространённый, возобновляемый и устойчивый источник углерода, который потенциально может стать альтернативой нефти в производстве пластмасс и ценных химических веществ», — сказала Людмilla Aristilde из Северо-Западного университета, которая возглавляла исследование.

После целлюлозы лигнин является вторым наиболее распространённым биополимером на Земле. При расщеплении он производит смесь химических соединений, включая фенольные кислоты, которые могут быть использованы в качестве возобновляемого сырья для производства ценных химических веществ. Но учёные пытались понять, как бактерии умудряются питаться этими сложными соединениями.

Как бактерии балансируют энергию

Чтобы выяснить, как бактерии поддерживают этот баланс, Аристольд и её команда вырастили Pseudomonas putida на четырёх распространённых соединениях, полученных из лигнина. Затем они использовали набор инструментов мультиомики, включая протеомику, метаболомику и передовые методы отслеживания углерода, чтобы точно определить, как бактерии перемещают углерод через свой метаболизм.

Аристольд сравнила эту метаболическую сеть с коллекцией дорог в оживлённом городском районе. «Мы хотели увидеть, что происходит на каждой улице с очень высоким разрешением, — сказала она. — Мы хотели знать, где могут возникать „светофоры“ и „пробки“. Это позволило нам определить, какие пути важны для балансировки энергии оптимальным образом для клетки».

Команда обнаружила, что, столкнувшись с лигнином, бактерия переключает свой метаболизм в режим высокой энергии. Она повышает уровень ферментов для определённых метаболических реакций — иногда в сотни и тысячи раз — для изменения пищеварительных путей, перенаправляя углерод с «главной магистрали» на резервные метаболические «дороги», чтобы избежать узких мест. Благодаря этому метаболическому ремоделированию бактерии производят в шесть раз больше АТФ (аденозинтрифосфата) — молекулы, которая обеспечивает энергию, — по сравнению с тем, когда они потребляют более легкоусвояемые соединения.

Исследователи также обнаружили, что система хрупкая. Когда они попытались облегчить узкие места, чрезмерно выражая определённые ферменты, подход дал обратный эффект, и метаболизм бактерий вышел из равновесия.

«Инженерные стратегии часто приводят к негативным последствиям для метаболизма совершенно неожиданным образом, — сказала Аристольд. — Ускоряя поток по одному пути, можно создать дисбаланс энергии, который вреден для работы клетки».

Этот вывод особенно важен для биотехнологических приложений, где инженеры часто корректируют метаболизм бактерий для производства биотоплива и химических веществ на биологической основе. Аристольд говорит, что важно понимать естественные энергетические правила бактерий, прежде чем пытаться заставить их работать интенсивнее. Выявив, какие пути являются «препятствиями» или «ускорителями» энергии, биотехнологическая промышленность может разработать более умные стратегии для использования бактерий для производства устойчивых продуктов из растительных отходов.

«До этого исследования мы не могли точно объяснить координацию углеводного метаболизма и энергетических потоков, важных для рационального проектирования бактериальных платформ для обработки лигнина, — сказала Аристольд. — Теперь, когда у нас есть реальная дорожная карта, мы знаем, как ориентироваться в сети».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте