Недавно обнаруженная бактерия вырабатывает множество различных ферментов, которые быстро усваивают углекислый газ, предлагая возможное решение проблемы изменения климата.
Повышение уровня углекислого газа в атмосфере (CO2) представляет собой актуальную глобальную проблему, поскольку население уже сталкивается с более экстремальными погодными условиями из-за изменения климата. Одна из стратегий, которую компании изучают для снижения уровня этого парникового газа, заключается в его улавливании и хранении глубоко под землей.
“Это не окончательное решение проблемы выбросов CO2, поэтому мы должны преобразовать CO2 в другие вещества”, - считает Бьюнг-Кван Чо, биолог-синтетик из Корейского института передовых наук и технологий. Один из способов добиться этого - использовать ацетогенные бактерии, которые используют CO2 и водород для выработки энергии и получения побочных продуктов, таких как ацетат. Эти бактерии могли бы служить биокатализаторами для метаболизма и удаления CO2 из атмосферы. Однако различия в метаболических стратегиях и регуляторных механизмах у различных ацетогенных бактерий приводят к различиям в скорости фиксации ими CO2.
Чо и его коллеги недавно выделили и охарактеризовали новый ацетоген, Sporomusa sphaeroides KIAC (КИАС), который быстро поглощает CO2. Используя геномный анализ, ученые продемонстрировали, что этот изолят содержит несколько различных ферментов-гидрогеназ, что указывает на то, что эти белки являются важными посредниками в скорости фиксации CO2. Результаты, опубликованные в mSystems, дают важную информацию об использовании ацетогенных бактерий для решения климатического кризиса.
Хотя их новый изолят был наиболее генетически похож на S. sphaeroides, Чо и его коллеги увидели, что KIAC растет быстрее и потребляет CO2 быстрее, чем его родственник. Чтобы выяснить, что может способствовать быстрой фиксации CO2 в KIAC, исследователи сравнили гены, отвечающие за метаболизм, с генами близкородственного и хорошо охарактеризованного вида того же рода, S. ovata. Хотя у этих двух видов было много общих генов, геном KIAC включал гены различных гидрогеназ, а также уникальные гены формиатдегидрогеназы - фермента, связанного с метаболизмом CO2, что указывает на потенциальную универсальность метаболических способностей этой бактерии. “Я не совсем уверен, что этот микроб действительно действует быстрее [чем большинство других ацетогенов]”, - отмечает Джо Филипс, биотехнолог и микробиолог из Орхусского университета, которая не принимала участия в исследовании. “Они провели много геномных сравнений, но реального сравнения показателей [между KIAC и S. ovata] там, я думаю, не хватает”.
Чтобы продолжить изучение регуляции этих генов в процессе фиксации CO2, исследователи определила сайты запуска транскрипции и изучила эти области на предмет наличия промоторных мотивов. Они идентифицировали шесть последовательностей, используемых различными сигма-факторами. Они обнаружили, что экспрессия одного из сигма-факторов, SigH, увеличивается в условиях воздействия водорода и CO2. Кроме того, многие гены, участвующие в производстве энергии и ацетогенезе, содержат сайты связывания для этого сигма-фактора. Хотя несколько других ацетогенов, в том числе из рода Sporomusa, содержали мотив SigH, он не был универсальным среди ацетогенов, что указывает на его потенциальную новую регулирующую роль.
Затем авторы использовали секвенирование РНК для изучения экспрессии генов KIAC при использовании четырех различных источников углерода для получения энергии. Они показали, что KIAC конститутивно экспрессирует некоторые гены, производящие энергию, а также четыре гидрогеназы. “Это, я думаю, удивительно. Это было совсем не то, чего я ожидал”, - сказала Филипс, добавив, что, поскольку гидрогеназы экспрессируются в отсутствие водорода, это может указывать на то, что у них есть другие функции. Группа Чо также обнаружила, что KIAC экспрессирует гены, связанные с формиатдегидрогеназой, по-разному в зависимости от доступных углеродных субстратов.
Чтобы изучить роль этих различных гидрогеназ в фиксации CO2, Чо и коллеги экспрессировали три из этих генов по отдельности в другом ацетогене, Eubacterium limosum, который обычно кодирует одну гидрогеназу. Каждая гидрогеназа KIAC увеличивала скорость роста и потребление водорода и CO2, а также выработку ацетата у E. limosum по сравнению с контрольным штаммом. Метаболизм формиата происходил быстрее у штаммов, экспрессирующих гидрогеназу KIAC, по сравнению с исходным E. limosum.
Группа Чо пришла к выводу, что различные гидрогеназы повышают метаболическую способность бактерий, возможно, благодаря их уникальным способам производства и сохранения энергии, что приводит к улучшенной фиксации CO2. “Существует своего рода регулирующая сеть для более эффективного использования этих гидрогеназ, потому что уровень энергии снаружи сильно меняется”, - сказал Чо. Филипс отметила, что гипотеза интересная, но добавила, что последующие исследования, в ходе которых будут удалены эти гены гидрогеназы из штамма KIAC, чтобы увидеть, как это влияет на его рост и скорость фиксации CO2, еще больше подтвердят ее. Однако она признала, что, учитывая ограничения, связанные с работой с анаэробными бактериями, этот эксперимент провести сложно.
Чо и его коллеги планируют изучить возможность использования KIAC в более масштабных реакциях ферментации, чтобы определить его промышленный потенциал в области преобразования CO2.
