Симбиотическая секвестрация CO2

Фотосинтез является ценной природной системой для секвестрации углекислого газа. Однако простое формирование биомассы не позволяет полностью использовать эту систему. Цзюнь Ни, Шанхайский университет Цзяо Тун, Китай, и его коллеги генетически сконструировали микробное сообщество, которое может служить живым поглотителем углекислого газа. В этом сообществе углекислый газ сначала преобразуется в сахар путем фотосинтеза, а затем сахар превращается в полезные химические вещества.

Фотосинтетическое сообщество

Различные штаммы бактерий используются в биотехнологии для производства определенных химических веществ. Например, некоторые генетически модифицированные штаммы производят молочную кислоту, которая, в свою очередь, используется для производства биоразлагаемого пластика — полимолочной кислоты (PLA). Другие штаммы используются для обогащения прекурсоров для биотоплива или фармацевтических препаратов. Однако, поскольку бактериям требуется энергия и питательные вещества, бактериальное производство химических веществ зачастую неэффективно.

В отличие от них, фототрофные организмы естественным образом производят сахар из углекислого газа, воды и солнечного света. Поэтому в симбиотическом сообществе бактерии, производящие химические вещества, теоретически могли бы использовать этот сахар в качестве пищи, таким образом делая их потенциальным поглотителем углерода и одновременно производя полезные химические вещества. Однако многие фотоавтотрофные организмы производят сахарозу в качестве запасенного сахара, который биоинженерные бактерии с трудом потребляют и используют.

Поиск нужных бактерий

Имея это в виду, команда провела систематический поиск штаммов бактерий-кандидатов, которые могли бы быть биоинженерными, но при этом естественно расти на сахарозе. Они нашли то, что искали, в морской бактерии, известной как Vibrio natriegens. “К счастью, V. natriegens естественным образом содержит полный путь транспорта и метаболизма сахарозы,” заявляют исследователи. Кроме того, V. natriegens поддается генетическим манипуляциям и переносит солевой стресс. Это важно, поскольку соль стимулирует фотосинтетические цианобактерии к производству сахарозы, тем самым создавая взаимодополняющие процессы.

Исследовательская группа использовала эти знания для создания интегрированной модульной системы для поглощения CO2 из V. natriegens и известной цианобактерии Synechococcus elongatus. Они улучшили производство сахара в цианобактериях с помощью генной инженерии, а также добавили в V. natriegens гены, которые увеличили поглощение сахара и его преобразование в химические вещества.

Превращение CO2 в ценные химические вещества

В неожиданно эффективном процессе команда заметила, что цианобактерии могут упаковывать питательные вещества в везикулы, которые затем выделяются. Затем морские бактерии с легкостью поглощали эти везикулы.

Команда вывела четыре варианта V. natriegens для производства молочной кислоты, бутандиола для синтеза биотоплива, кумарина и меланина в качестве прекурсоров для химических и фармацевтических препаратов. Бактерии в симбиозе с цианобактериями производили химические вещества с отрицательным балансом углерода. “Эта система может поглощать более 20 тонн углекислого газа на тонну продукта”, — сообщает команда. Исследователи считают свои результаты доказательством того, что симбиотические микробные сообщества могут быть использованы в качестве эффективных поглотителей углерода.