Кишкову паличку перевели на харчування метанолом

Тайванські вчені вивели штам кишкової палички (), здатний використовувати метанол як єдине джерело їжі, повідомляється в. Швидкість розмноження таких бактерій значимо не відрізнялася від швидкості розмноження видів, які спочатку були метилотрофами: кількість метанолом кишкових паличок подвоювалася кожні 8,5 години. Також дослідники виявили проблему, яка виникає через метаболізм метанолу (хімічне зв'язування ДНК з певними білками), яку мікроорганізми частково вирішили збільшенням числа копій певних генів.

Щоб підтримувати різні біохімічні процеси в організмі та оновлювати структури в його складі, всьому живому необхідно харчуватися - отримувати енергію, вуглець та електрони. Залежно від того, якими джерелами їжі користується вигляд, його відносять до різних категорій «-трофів» («живляться» по-давньогрецьки). Наприклад, серед бактерій існують метилотрофи - ті, хто отримує вуглець і електрони з похідних метану CH₄, але не з нього самого. Однак їх не дуже багато.

Між тим метанол (CH₃OH) - з'єднання, здатне служити хорошим джерелом електронів для мікроорганізмів. Крім того, його легко отримати з парникових газів - CO₂ і метану. Якби вийшло створити легко розлучених бактерій, які можуть переробляти метанол, вдалося б знизити викиди цих газів в атмосферу.

Спроби вивести метилотрофів вже робили з кишковою паличкою () - найпопулярнішим модельним об'єктом-прокаріотом. Для цього різні колективи мікробіологів визначали, які ферменти дозволять бактеріям переробляти CH₃OH і якими генами ці ферменти кодуються. Також виявляли, які методики культивування краще використовувати, щоб максимально ефективно вирощувати потрібні бактерії. Однак штамів кишкової палички, які були б здатні використовувати метанол як єдине джерело живлення, поки не створили.

Тепер співробітники Інституту біологічної хімії Академії Синіка (Тайвань) під керівництвом Джеймса Ляо (James C. Liao) зуміли домогтися того, щоб виживала і з прийнятною швидкістю розмножувалася на одному лише метанолі. Для цього вони поступово, не за одне покоління, замінювали бактеріям гени ферментів, що беруть участь у пентозофосфатному циклі, на такі, які дозволяють переробляти метанол (нові гени «брали» з метилотрофів). Попередньо автори змоделювали, які гени і в якій послідовності треба буде змінювати, але, природно, враховували і дані реальних експериментів у міру їх проведення.

Перші модифіковані бактерії могли рости на середовищі, що містить метанол і цукор ксилозу. Вони поки не могли харчуватися одним лише метанолом, але і не були в змозі жити тільки на одній ксилозі. Це створило еволюційний тиск, в ході якого в популяції закріплювалися гени, що дозволяють переробляти метанол. Потім замінювали й інші ділянки ДНК, за рахунок чого знаходили оптимальний рівень експресії генів, потрібних для метаболізму CH3_OH. Справа в тому, що при його переробці утворюється токсичний формальдегід, який потрібно встигати нейтралізувати. Склад живильного середовища теж змінювали так, що в кінцевому рахунку в ньому залишився тільки метанол.

Автори стежили за генетичними змінами в кожній колонії бактерій, а також за зростанням чисельності кишкових паличок. Хоча найбільш успішні штами метилотрофів розмножувалися досить швидко, в ряді випадків процес затягувався і до 11 відсотків клітин в колонії виявлялися мертві. Досліджуючи ДНК цих мікроорганізмів, вчені з'ясували, що зростання колоній затримується через те, що у «синтетичних» метилотрофів ця молекула часто хімічно зв'язується з різними білками, і цей патологічний процес провокує формальдегід.

Частково захищатися від зв'язування ДНК з білками бактеріям вдавалося за рахунок варіацій числа копій певної ділянки геному розміром 70 тисяч пар підстав (цей параметр став змінюватися сам, без активних дій з боку вчених). На цій ділянці знаходяться гени, що регулюють вироблення і переробку формальдегіду. Найбільш успішний штам з «синтетичних» метилотрофів міг виживати при концентрації метанолу 1,2 моля на літр. Число клітин у нього при харчуванні метанолом могло подвоюватися за 8,5 години, що можна порівняти з можливостями «природних» представників цієї групи - (від 4 до 6 годин залежно від штаму) і грибів (8,2 години).

Дослідження тайванських вчених показало, що хоча змінити джерело електронів і вуглецю у бактерій і складно, але можливо. Надалі можна буде створити штами, які виробляють з метанолу конкретні потрібні людині речовини. Якщо вдасться впровадити бактерії гени метанмонооксигеназ, що перетворюють метан на метанол, і вони будуть працювати, тоді «синтетичні» метилотрофи зможуть харчуватися метаном і з'явиться новий спосіб утилізації цього парникового газу. Існуючих метанотрофів складно використовувати для цієї мети, оскільки їм для життя зазвичай потрібне середовище, далеке від лабораторного, - ґрунт, лід або тіла інших організмів.

Кишкову паличку модифікують найрізноманітнішими способами, в тому числі змінюють набір джерел атомів вуглецю, подібно до того, як це зробили в обговорюваному дослідженні. Наприклад, у листопаді 2019 року ізраїльські вчені представили штам, здатний створювати органічні речовини з вуглекислого газу подібно до того, як це роблять рослини.