Ученые из Научного института Вейцмана в Израиле создали штаммы бактерии E.coli, которые потребляют в качестве источника питательных веществ только CO2, а не органические соединения. Они говорят, что наряду с демонстрацией того, насколько гибким может быть метаболизм бактерий, это достижение может послужить основой для разработки процессов производства продуктов питания и топлива с нулевым балансом углерода.
Команда Вейцмана опубликовала статью в журнале Cell: «Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO2».
Выполнение нетривиальной задачи превращения гетеротрофа в полноценный автотроф требует, чтобы организм был способен управлять путями фиксации CO2 (так как весь входящий углерод состоит только из CO2), и что он способен производить из CO2весь спектр молекул-предшественников, необходимых для генерации биомассы. Это требует экспрессии всего необходимого ферментативного механизма как для производства и регуляции, так и координации автотрофных путей. До настоящего времени, как отмечают исследователи, попытки установить автокаталитические циклы фиксации CO2 в модельных гетеротрофах всегда требовали добавления органических соединений с несколькими атомами углерода для достижения стабильного роста.
Рис. 1. На этой диаграмме показано, как исследователи преобразовали обычную лабораторную бактерию E. coli, потребляющую сахар (гетеротрофную) (слева), для производства всей своей биомассы из CO2 (автотрофную) путем метаболического инжиниринга в сочетании с эволюцией в лаборатории. Новая бактерия (в центре) использует сложный формиат как форму химической энергии, чтобы управлять фиксацией CO2 синтетическим метаболическим путем. Бактерия может обеспечить инфраструктуру для будущего промышленного возобновляемого производства продуктов питания и зеленого топлива (справа). [Глейзер и др.]
Исследователи преобразовали E.coli для производства ненативных ферментов для фиксации и восстановления углерода и для получения энергии из формиата. Но эти изменения сами по себе были недостаточны для полной автотрофии, поскольку метаболизм E.coli адаптирован к гетеротрофному питанию. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи обратились к адаптивной лабораторной эволюции как к инструменту метаболической оптимизации. Они инактивировали центральные ферменты, участвующие в гетеротрофном росте, делая бактерии более зависимыми от автотрофных путей роста. По сути, бактерии постепенно «отлучали» от сахара, который они привыкли потреблять. 
На каждой стадии культивируемые в хемостате бактерии получали достаточно сахара (ксилозы), чтобы предотвратить их полное голодание, а также большое количество СО2 и формиата.
Исследователи продемонстрировали, что в этой среде существует большое избирательное преимущество для автотрофов, которые производят биомассу из CO2 в качестве единственного источника углерода, по сравнению с гетеротрофами, которые зависят от ксилозы в качестве источника углерода для роста. Поскольку некоторые штаммы адаптировались к питанию CO2 (что дало им эволюционное преимущество перед теми, которые все еще нуждались в сахаре), их потомкам давали все меньше и меньше сахара, пока после примерно года адаптации к новому рациону некоторые из них в конечном итоге не переключились полностью на CO2.
Чтобы проверить, не использовали ли бактерии каким-либо образом другие питательные вещества для роста, некоторые из «улучшенных» E.coli получали CO2, содержащий тяжелый изотоп C13. Затем бактериальные клетки взвешивали, и считали, каким должен быть их вес при употреблении обычной и «тяжелой» версий углерода. Анализ показал, что все атомы углерода в организме бактерий были получены только из CO2.
Подробнее (англ): https://www.genengnews.com/news/common-lab-bacteria-evolved-to-use-just-co2-for-growth/
Источник: https://biotechno.ru/about_company/news/daydzhest-novostey-biotekhnologii-noyabr-2019/
