Генетики научили кишечную палочку делать «нефть» из сахаров

На этом поприще значительного успеха достигла международная команда химиков и генетиков под руководством Мишель Чан (Michelle C. Y. Chang). В нее вошли специалисты из университетов трех стран: американских — Калифорнийского в Беркли, Миннесотского, Нью-Йоркского в Буффало, китайского — Уханьского, а также Научно-исследовательского института химической технологии Южной Кореи (KRICT). Статья с результатами их работы опубликована в журнале Nature Chemistry.

Все живые организмы производят огромное количество соединений, состоящих в основном из углерода и водорода, — это основа биологии. Проблема в том, что эти молекулы содержат еще много кислорода (поэтому называются углеводами), а также дополнительных элементов, зачастую и определяющих их роль в метаболизме. Однако химической промышленности нужны более простые углеводороды, а для этого углеводы необходимо лишить «примесей» в процессе различных преобразований, которые требуют значительных затрат энергии.

Чтобы обойти эту проблему, ученые обратились к известным энзимам, позволяющим бактериям синтезировать чистые углеводороды или их прекурсоры. Подходящие белки нашлись у микроба Treponema denticola, вызывающего пародонтит у людей. Ответственные за их выработку гены внедрили в один из самых популярных модельных организмов — кишечную палочку. Модифицированные бактерии смогли без значительного ущерба для основного метаболизма переработать около 8% глюкозы в две жирные кислоты — 3-гидроксиоктановую и 3-гидроксидекановую (мирмикацин).

Эти молекулы, в свою очередь, сравнительно легко преобразуются в гептен и нонен, соответственно — ациклические непредельные углеводороды (алкены), которые могут служить полноценной заменой нефти в промышленности. Фактически из них во время хорошо отработанных и эффективных химических процессов уже легко получаются почти все необходимые длинноцепочечные и короткоцепочечные углеводороды. А далее — хоть пластики делать, хоть смазки, хоть топливо для различных двигателей внутреннего сгорания.

Да, переработка всего 8% массы глюкозы в эрзац-нефть — еще далеко от промышленной эффективности. Однако исследователи пока не стремились создать полноценный техпроцесс: они проверяли работоспособность концепции. Поэтому в подопытные бактерии внедрили всего пять генов и сделали это так, чтобы не нарушать уже существующие обменные процессы в микроорганизмах. То есть углеводороды появлялись в качестве побочного продукта метаболизма микробов. В следующих экспериментах ученые планируют разработать более сложные модификации кишечной палочки, позволяющие полноценно «перенастроить» ее на выработку «бионефти».

Более того, технология помогает буквально запрограммировать бактерии на создание молекул с необходимой длиной цепочки атомов углерода в ней. Делается это просто, быстро и может открыть огромные перспективы в химической промышленности.

Авторы научной работы делают осторожное предположение, что не за горами разработка совершенно новых видов пластика на основе менее длинных полимеров, произведенных в бактериальных реакторах. Такие материалы должны быть проще в переработке и утилизации, а значит, экологичнее.