Вы не можете увидеть их невооруженным глазом, но большинство растений выделяют летучие газы - изопреноиды - в атмосферу, когда они дышат и растут. Некоторые растения почти ничего не излучают; другие ежегодно выделяют килограммы.
Почему эмиссия изопреноидов растениями интересна? Ну, изопреноиды вносят огромный вклад в количество углеводородов, выбрасываемых в атмосферу, где они могут быть преобразованы в мощные парниковые газы, влияющие на изменение климата. На самом деле было подсчитано, что короткоцепочечные изопреноиды составляют более 80% всех летучих органических соединений, выделяемых всеми живыми организмами, что составляет около 650 миллионов тонн углерода в год.
Мы открыли новый способ, с помощью которого растения регулируют количество летучих изопреноидов, выделяемых ими в атмосферу, который долгое время был неизвестен. Некоторые растения выделяют много, в то время как очень похожие виды не выделяют их вообще. интересно с точки зрения фундаментальных исследований, чтобы лучше понять эти выбросы и то, как выращивание различных растений может повлиять на круговорот углерода и воздействие на парниковые газы», - говорит первый автор нового исследования, недавно опубликованного в eLife, старший научный сотрудник Марейке Бонгерс из Фонда Ново Нордиск. Центр биоустойчивости и Австралийский институт биоинженерии и нанотехнологий Университета Квинсленда.
К культурам, выделяющим много изопрена, относятся, например, масличная пальма, ель, выращиваемая для получения древесины, и осина, выращиваемая для получения древесины и биотоплива. Обладая этими знаниями, фермеры могли бы в принципе оптимизировать лесные угодья и сельскохозяйственные угодья, сажая меньше растений с высоким уровнем выбросов и больше растений с нулевым уровнем выбросов.
Тем не менее, следует сказать, что мы не знаем наверняка, что все эффекты этих выбросов плохи, необходимы дополнительные исследования по этому вопросу. Но ясно, что многие из вредных эффектов выбросов изопреноидов происходит, когда они вступают в реакцию с обычными загрязнителями воздуха, что влияет на образование парниковых газов и качество воздуха. Поэтому большие плантации с высоким уровнем выбросов особенно проблематичны в непосредственной близости от промышленных или муниципальных загрязнений воздуха. Таким образом, снижение загрязнения является еще одним способом решения проблемы, - говорит Марейке Бонгерс.
Исследователи, стоящие за этим исследованием, сейчас изучают возможность использования этих новых знаний в прикладных биотехнологиях. Исследователи фактически открыли новый механизм регуляции, потому что они пытались сконструировать бактерию E. coli для производства востребованных изопреноидов, которые могли бы заменить многие химические вещества из ископаемого топлива, если бы их можно было производить дешевле..
Итак, в процессе преобразования генов растений в E.coli для улучшения производства изопреноидов, исследователи узнали о растительном механизме регуляции. Когда E. coli была сконструирована с растительными генами для фермента, известного как HDR, они произвели два важных химических вещества в разных соотношениях, и это повлияло на то, сколько изопрена могло быть произведено..
Это открытие очень полезно в прикладной биотехнологии, потому что изопреноиды могут быть превращены в такие продукты, как каучук. GoodYear уже производит автомобильные шины из изопрена биологического происхождения. Кроме того, полученные результаты могут также улучшить производство монотерпеновых изопреноидов, которые являются отличным топливом для реактивных двигателей, поскольку они очень энергоемкие.
«Это особенно интересно с точки зрения устойчивого развития, потому что не предполагается, что самолеты могут заправляться чем-то другим, кроме жидкого топлива, в отличие от наземного транспорта, который может быть электрическим», - говорит она.
Наконец, изопреноиды также используются в качестве ароматизаторов и ароматизаторов в парфюмерии и косметике, и они очень важны в качестве активного соединения в некоторых лекарствах, например, в противомалярийном лекарстве артемизинине или таксадиене, из которого получают лекарство от рака Таксол. сделано.
Сегодня большинство лабораторий и биотехнологических компаний, которые производят изопреноиды, используют путь от дрожжей, так как достигнутые выходы были намного выше, чем с E.coli. Но путь, используемый E. coli и растениями, имеет более высокий теоретический выход, а это означает, что теоретически из того же количества сахара в E. coli может быть получено больше изопреноидов, чем в дрожжах. Таким образом, попытка оптимизировать E.coli для производства изопреноидов имеет коммерческий смысл.
Команда сравнила восемь различных генов HDR растений и один ген HDR цианобактерий в E.coli. Наилучший результат был получен с генами персика, тополя и клещевины. Поскольку это было доказательством концепции, команда произвела только 2 мг изопрена на литр клеточного бульона. Но с дальнейшими усилиями по разработке и оптимизации ферментации исследователи рассчитывают улучшить производство изопрена в кишечной палочке с помощью этой системы.
Мы увидели, что выбор правильного растительного фермента имел большое значение для производства изопрена в E.коли. Таким образом, наш подход «обучения у природы» о том, как некоторые растения стали так хорошо выделять изопреноиды, действительно помог нам разработать более эффективные клеточные фабрики», - заключает она.