Многие химики в настоящее время исследуют, как маленькие молекулы углерода, такие как метан и метанол, могут быть использованы для создания более крупных молекул. Земля естественно богата метаном, и искусственные процессы, такие как ферментация биомассы на биогазовых установках, также производят его в изобилии. Метанол можно получить из метана. Оба являются простыми молекулами, содержащими только один атом углерода. Однако использовать их для получения более крупных молекул с несколькими атомами углерода сложно.
Несмотря на трудности для химиков, бактерии давно научились строить большие молекулы из маленьких: некоторые бактерии используют метанол в качестве источника углерода для создания энергоносителей и клеточного строительного материала. Они живут в основном на листьях растений и встречаются в большом количестве на каждом листе. Наиболее изученная бактерия называется Methylobacterium extorquens. Команда под руководством Джулии Форхольт, профессора микробиологии, определила все гены, необходимые этой бактерии для жизни на метаноле.
Бактерии утилизируют отходы растений
«Листья растений являются естественным источником метанола, который вырабатывается в качестве побочного продукта в процессе биосинтеза клеточных стенок растений», - объясняет Форхольт. Подобно тому, как гибридный автомобиль может работать на бензине или электричестве, Methylobacterium extorquens может использовать либо более крупные молекулы углерода (такие как карбоновые кислоты), либо метанол из растений в качестве питательного вещества, в зависимости от доступности. «При использовании метанола бактерии создают все необходимые им сложные химические соединения, используя эту маленькую молекулу. Это выдающееся достижение», - говорит Форхольт.
Как теперь удалось продемонстрировать ученым, Methylobacterium extorquens имеет почти 150 генов, которые необходимы ей специально для роста на метаноле. Из них 95 ранее не были известны.
Чтобы найти эти гены, группа Форхольта работала вместе с группой Бита Кристена, профессора экспериментальной системной биологии, над созданием около миллиона бактериальных мутантов. Их помещали в культуральную среду с метанолом, с одной стороны, и в нормальную питательную среду, содержащую янтарную кислоту, с другой. Исследователи искали мутантов, которые нормально росли на обычной среде, но плохо или вообще не росли на среде, содержащей только метанол. Это позволило ученым определить, когда определенные гены, необходимые для использования метанола, были повреждены.
«Метод позволил нам определить, нужен ли тот или иной ген бактерии для роста на основе метанола. группа и первый автор исследования, опубликованного в журнале Current Biology.
Сигнал на переход в метанольный режим
Исследователи были особенно удивлены одним из генов, обнаруженным с помощью этого метода. Ранее этот ген был известен у растений и бактерий, которые метаболизируют CO2 из воздуха, но Methylobacterium extorquens этого не делает. Ген обеспечивает инструкции для фермента, который производит сахар, необходимый для использования CO2.
Теперь исследователи могут продемонстрировать, что Methylobacterium extorquens также способна производить этот сахар при контакте с метанолом. Однако, в отличие от растений, бактерия не использует этот сахар в качестве клеточного строительного материала. Вместо этого ученые считают, что он используется как сигнал для перехода на потребление метанола.
После раскрытия значения этого конкретного гена ученые теперь хотят продолжить исследование других вновь идентифицированных генов.
Новые способности микроорганизмов
Изучение генетики Methylobacterium extorquens также представляет ценность для биотехнологии. Бактерия уже используется в исследовательских лабораториях для производства сложных молекул. Новые результаты могут помочь ученым манипулировать бактерией, чтобы создавать нужные молекулы в больших количествах.
Поскольку все гены, имеющие отношение к росту на основе метанола, теперь идентифицированы, возможно также ввести эти гены в другие микроорганизмы, что позволит им использовать метанол и, таким образом, позволит использовать этот ресурс в различных биотехнологических целях. будущее.