Исследователи из Университета Тафтса создали генетически модифицированные дрожжи, которые могут более эффективно потреблять новое питательное вещество, ксилозу, что позволяет дрожжам расти быстрее и достигать более высокой плотности клеток, открывая перспективы значительно более быстрого пути к разработке новые синтетические организмы для промышленного применения, согласно исследованию, опубликованному сегодня в Nature Communications.
В синтетической биологии такие организмы, как бактерии или дрожжи, могут быть преобразованы в «мини-фабрики», когда их кормят питательными веществами для производства широкого спектра продуктов, от фармацевтических препаратов до промышленных химикатов и биотоплива. Тем не менее, главная проблема заключается в эффективном преобразовании обильного сырья в конечный продукт, особенно когда сырье не является чем-то, что бактерии или дрожжи обычно «съедают».
В этом исследовании исследователи отметили, что традиционные подходы к модификации организмов для конститутивного потребления новых питательных веществ (то есть без «выключателя») могут привести к неэффективности, когда пути метаболизма питательных веществ не связаны с нижестоящими путями стресса реакции, рост клеток и другие функции, важные для здоровья организма.
Используя другой подход, исследователи взяли набор регуляторных генов, называемых GAL-регулонами, которые обычно перерабатывают галактозу - фаворита в меню питательных веществ дрожжей - и заменили некоторые гены на те, которые активируются и прямой распад ксилозы. Все остальные гены регулона GAL не изменились. При этом они сохранили более естественное взаимодействие между генами, управляющими питанием, и генами, управляющими выживанием. Новый синтетический регулон, получивший название XYL, позволил дрожжевым клеткам расти быстрее и достигать более высокой плотности клеток.
«Вместо того, чтобы создавать метаболическую структуру с нуля, мы можем реконструировать существующие регулоны, чтобы позволить организму процветать на новом питательном веществе», - сказал Нихил У. Наир, доктор философии, доцент кафедры химии. и биологической инженерии в Tufts и соответствующем авторе этого исследования. «Адаптация нативных регулонов может стать значительно более быстрым путем к разработке новых синтетических организмов для промышленного применения».
Одним из таких приложений является производство этанола в качестве биотоплива. Были высказаны опасения, что перенаправление значительной части сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, на производство биотоплива может оказать негативное влияние на доступность и стоимость продуктов питания. Однако ксилоза представляет собой сахар, полученный из неперевариваемых частей растительного материала. Способность ферментировать ксилозу может быть путем к производству биотоплива, которое не будет конкурировать с продуктами питания.
В рамках исследования Наир и его команда более внимательно изучили, что именно объясняет улучшение выживания дрожжевых организмов, питающихся ксилозой. Они обнаружили многочисленные гены, активированные в дрожжах, контролируемых регулоном XYL, которые активировали пути, участвующие в росте, такие как поддержание клеточной стенки, деление клеток, митохондриальный биогенез и производство аденозинтрифосфата (АТФ). Штаммы дрожжей, которые имели конститутивный (в основном нерегулируемый) контроль метаболизма ксилозы, запускали пути, связанные с клеточным стрессом, голоданием и повреждением ДНК.
«Наше исследование применило этот подход к ксилозе, но оно предполагает более широкий принцип - адаптацию нативных регулонов для эффективного усвоения других чужеродных сахаров и питательных веществ», - сказал Наир. «Природа уже проделала работу по настройке генов и метаболических путей в соответствии с окружающей средой организма. Давайте воспользуемся этим, когда представим что-то новое в меню."