A legzöldebb étrend: A baktériumok átállnak a szén-dioxid fogyasztására

Az ilyen baktériumok a jövőben hozzájárulhatnak új, szén-dioxid-hatékony technológiákhoz

REHOVOT, IZRAEL - 2019. november 27.A Weizmann Tudományos Intézet professzorának, Ron Milo laboratóriumának laboratóriumi baktériumai nem csak esküt tettek le a cukorról - abbahagyták normális szilárd táplálékuk fogyasztását, amely a környezetükből származó szén-dioxidon (CO2) található. Vagyis egész biomasszájukat levegőből tudták felépíteni. Erről a bravúrról, amely csaknem egy évtizedes racionális tervezéssel, géntechnológiával és a laboratóriumi evolúció gyorsított változatával járt, a Cell számolt be. Az eredmények rámutatnak a jövőben szén-dioxid-semleges üzemanyagok fejlesztésének eszközeire.

A tanulmány a szénmegkötés folyamatának kulcsfontosságú génjeinek azonosításával kezdődött - ahogyan a növények a szénből veszik a szenet a szén-dioxidból annak érdekében, hogy olyan biológiai molekulákká váljanak, mint fehérje, DNS stb. hogy a baktériumok genomjában már jelen lévő gép sok „alkatrésze” felhasználható úgy, ahogy van. Beillesztettek egy olyan gént is, amely lehetővé tette a baktériumok számára, hogy energiát nyerjenek egy formátumnak nevezett könnyen hozzáférhető anyagból, amelyet közvetlenül villamos energiából és levegőből lehet előállítani, és amely alkalmas arra, hogy az elektronokat „feladja” a baktériumoknak.

Kiderült, hogy a baktériumoknak csak a „termelőeszközöket” adták, hogy a váltásra sor kerülhessen. Még mindig szükség volt egy másik trükkre, hogy a baktériumok megfelelő módon használják ezt a gépet, és ez kényes egyensúlyozási műveletet tartalmazott. Dr. Shmuel Gleizer Roee Ben-Nissannal, Yinon Bar-On-nal és Prof. Milo Növény- és Környezettudományi Tanszékének többi tagjával együtt laboratóriumi evolúciót alkalmazott, mivel a technika ismert; lényegében a baktériumokat fokozatosan leválasztották az evéshez szokott cukorról. Minden szakaszban a tenyésztett baktériumoknak éppen annyi cukrot adtak, hogy megakadályozzák a teljes éhezést, valamint rengeteg CO2-t és formiátot. Mivel egyesek „megtanultak” fejleszteni a CO2 ízét (evolúciós előnyt adva nekik a cukorhoz ragaszkodókkal szemben), leszármazottaik egyre kevesebb cukrot kaptak, amíg körülbelül egy év alkalmazkodás után az új étrendhez néhányuk végül elkészítette teljes váltás, élés és szaporodás olyan környezetben, amely tiszta CO2-t szolgáltatott.

A kutatók a közönséges cukort fogyasztó (heterotróf) E. coli baktériumot (balra) úgy alakították át, hogy az összes biomasszáját CO2-ből (autotróf) állítsa elő, metabolikus mérnöki és laboratóriumi evolúcióval kombinálva. Az új baktérium (középen) a vegyület-formiátot a kémiai energia egyik formájaként használja fel a CO2 rögzítésének elősegítésére egy szintetikus metabolikus úton. A baktérium biztosíthatja az infrastruktúrát az élelmiszer- és zöld üzemanyagok jövőbeli megújuló termeléséhez (jobbra)

Annak ellenőrzésére, hogy a baktériumok nem valamilyen módon „falatoznak-e” más tápanyagokat, a kialakult E. coli egy részét nehéz izotópot - C13 - tartalmazó CO2-vel táplálták. Ezután megmértük a baktérium testrészeit, és az elért súlyukat összehasonlítottuk azzal a tömeggel, amely hozzáadódott a szén nehezebb változatának elfogyasztása esetén. Az elemzés kimutatta, hogy a baktériumok testében lévő szénatomok közvetlenül csak CO2-ből vonódtak ki.

A kutatócsoport ezután az újonnan kifejlődött baktériumok jellemzésére vállalkozott. Milyen változások voltak nélkülözhetetlenek ahhoz, hogy alkalmazkodjanak ehhez az új étrendhez? Míg az általuk azonosított genetikai változások némelyike az éhezés túléléséhez köthető, mások úgy tűnt, hogy szabályozzák az építőkockák előállításának lépéseinek szinkronizálását a CO2 felhalmozódása révén. "A sejtnek egyensúlyban kell lennie a mérgező torlódások és a csőd között" - mondja Bar-On. A csapat által észlelt egyéb változások a transzkripcióval kapcsolatosak - a meglévő gének be- és kikapcsolásának szabályozása. "További kutatások remélhetőleg feltárják, hogy ezek a gének miként alakították ki tevékenységüket" - mondja Ben-Nissan.

A kutatók úgy vélik, hogy a baktériumok új „egészségügyi rúgása” végső soron egészséges lehet a bolygó számára. Milo professzor rámutat, hogy manapság a biotechnológiai vállalatok sejttenyészeteket használnak árukémiai vegyi anyagok előállításához. Az ilyen sejteket - élesztőt vagy baktériumokat - arra lehet indukálni, hogy CO2 és megújuló villamos energia táplálékával éljenek, és így elválasszák a ma élő nagy mennyiségű kukoricasziruptól. A baktériumokat tovább lehetne adaptálni úgy, hogy ahelyett, hogy energiájukat egy anyagból, például formiátból vennék, képesek lennének egyenesen felvenni - mondjuk egy elektront egy napkollektorból -, majd ezt az energiát későbbi üzemanyagként felhasználva tárolni a sejtjeikben rögzített szén. Az ilyen üzemanyag szén-dioxid-semleges lenne, ha szénforrása a légköri CO2 lenne.

"Laboratóriumunk elsőként követte azt az ötletet, hogy megváltoztassák a normális heterotróf étrendjét (amely szerves anyagokat fogyaszt), hogy autotrofofissá (" levegőn élő ") alakítsák át" - mondja Prof. Milo. „Eleinte lehetetlennek tűnt, de számos tanulsággal szolgált számunkra, és végül megmutattuk, hogy valóban meg lehet csinálni. Eredményeink jelentős mérföldkövet jelentenek a hatékony, zöld tudományos alkalmazások célkitűzése felé. "

Ron Milo professzor a Mary és Tom Beck kanadai alternatív energiakutatási központ vezetője. Kutatását a Zuckerman STEM Leadership Program támogatja; a Larson Jótékonysági Alapítvány Új Tudós Alapja; az Ullmann Családi Alapítvány; Dana és Yossie Hollander; és az Európai Kutatási Tanács. Milo professzor a Charles és Louise Gartner professzori elnök tisztségét tölti be.

Eredményeink

Tudjon meg többet a Weizmann Intézet figyelemre méltó eredményeiről, amelyek fokozzák és átalakítják életünket.