Микробные ко-культуры: новая эра синтетической биологии и метаболической инженерии (аннотация)Микробные ко-культуры: новая эра синтетической биологии и метаболической инженерии
Микробные консорциумы - это сообщества, состоящие из различных групп микроорганизмов, которые взаимодействуют для достижения коллективных целей.
Используя симбиотическое взаимодействие и синергетическое поведение, ученые стремятся раскрыть различные возможности применения микроорганизмов, выходящие за рамки возможностей отдельных организмов. В сельском хозяйстве консорциумы микроорганизмов имеют огромные перспективы. Они могут повышать доступность питательных веществ, подавлять болезни, улучшать состояние почвы, стимулировать рост растений, бороться с абиотическими стрессами, повышать продуктивность культур и поддерживать устойчивые методы ведения сельского хозяйства.
Однако необходимы дальнейшие исследования для оптимизации состава, стабильности и функциональности консорциумов с целью повышения продуктивности, экологической устойчивости и экономической эффективности различных культур. Микробные консорциумы также обладают огромным потенциалом для восстановления и оздоровления окружающей среды. Они могут быть использованы для биоремедиации загрязненных участков, восстановления здоровья почвы, очистки сточных вод, восстановления экологии, смягчения последствий изменения климата и оценки состояния окружающей среды.
Однако, как и в случае с сельскохозяйственным использованием, необходимы дальнейшие исследования для оптимизации их применения в конкретных условиях. В этом обзоре представлены передовые научные статьи, посвященные различным аспектам консорциумов микробной инженерии. Статьи посвящены таким темам, как промышленное производство ферментов, стимулирование роста растений в стрессовых условиях, использование CO2 в качестве сырья для химического производства, понимание динамики и фенотипов сообществ, функционально-ориентированные совместные культуры для улучшения качества табака, устойчивые к высыханию бактерии для повышения жизнестойкости культур, искусственные системы "растение-бактерия", биоконтроль заболеваний сельскохозяйственных культур и разработка нанопестицидов.
Кроме того, в обзоре рассматриваются вопросы использования бактериальных биосенсоров для обнаружения загрязнения окружающей среды и создания синтетических консорциумов для экологически безопасного производства этилена и изопрена. В целом данный обзор дает представление о захватывающей и быстро развивающейся области микробных инженерных консорциумов и освещает потенциальные возможности их применения, проблемы и перспективы в сельскохозяйственных областях.
Синтетическая биология стала одним из преобразующих направлений, изменив подход к изучению сложных биологических систем. Синтетическая биология направлена на проектирование, конструирование и манипулирование биологическими компонентами для создания новых функциональных возможностей и за прошедшие годы исследователи добились значительных успехов в конструировании отдельных микроорганизмов для выполнения конкретных задач. Однако истинный потенциал синтетической биологии кроется в совместной работе микробных консорциумов - новом рубеже, который открывает огромные перспективы в различных областях.
Следует отметить, что создание микробных консорциумов для применения в сельском хозяйстве пока находится на ранней стадии. Необходимы дальнейшие исследования для оптимизации состава, стабильности и функциональности консорциумов для различных культур в условиях различных сред и агроклиматических регионов. Кроме того, необходимо учитывать масштабируемость и экономическую эффективность внедрения микробных консорциумов в сельскохозяйственные системы. В обзоре отобрано 13 научных статей и две обзорные статьи, которые проливают свет на различные аспекты инженерных микробных консорциумов и их функциональные характеристики для повышения продуктивности сельского хозяйства, экологической и промышленной устойчивости.
Инженерные микробные консорциумы: экологическое сельское хозяйство
Инженерия микробных консорциумов для сельского хозяйства открывает большие перспективы для повышения урожайности при одновременном снижении негативного воздействия на окружающую среду. Однако широкое использование инженерных микробных консорциумов в экологически безопасном сельском хозяйстве все еще сталкивается с такими препятствиями, как масштабирование от лабораторных до полевых условий, обеспечение стабильности и устойчивости консорциумов, а также решение нормативных и этических вопросов. В рамках данного обзора нижеприведенная подборка статей рассматривает текущую потребность в исследованиях, направленных на развитие экологически безопасного сельского хозяйства.
Gupta et al. утверждают, что комплексное и сбалансированное управление питательными веществами вдохновило их на проведение данного испытания. Органические удобрения с N2-фиксирующими, P- и K-солюбилизирующими микробными инокулянтами улучшили рост культур, развитие корней и здоровье почвы. Результаты исследования могут помочь в утилизации отходов растениеводства и биопродуктов животноводства путем стимулирования микробных консорциумов и агропромышленных комплексов на основе органического навоза, жизненно важных микробных инокулянтов и интегрированного управления питательными веществами. Таким образом, данное исследование позволит поддержать рост сельского хозяйства за счет производства высококачественных культур, сохранения агробиоразнообразия и оздоровления, повышения плодородия и продуктивности почв.
Zeyad et al. отметили, что применение штаммов Streptomyces araujoniae (TN11 и TN19) по отдельности и в составе консорциума снижает степень поражения растений нута заболеванием увядания. Снижение развития заболевания было обусловлено выработкой штаммами S.araujoniae противогрибковых метаболитов на более высоком уровне. Результаты исследования развития болезни, параметров роста растений, физиологических и биохимических показателей, а также экспрессии генов свидетельствуют о том, что консорциум TN11 и TN19 может выступать в качестве эффективного средства биоконтроля против увядания нута, вызванного Fusarium oxysporum f. sp. ciceris (Foc).
Mageshwaran et al. отметили, что бактериальные эндофиты обладают способностью к биоконтролю. Три перспективных изолята ингибировали все три почвенные грибковые инфекции (R. solani, S. rolfsii и F. oxysporum f.sp. ciceri) in vitro. Обработка семян нута штаммами Bacillus subtilis TRO4 и CLO5 повысила развитие растений и снизила заболеваемость комплексным увяданием в опыте in planta. В данном исследовании рассматривается вопрос о борьбе с комплексным увяданием нута с помощью возможных эндофитов. Экологически безопасная борьба с болезнью увядания улучшит здоровье растений и почвы.
Shahid et al. изучали, как природные и антропогенные стрессы влияют на рост и урожайность растений. Гормон стресса этилен может препятствовать росту и выживанию растений. Однако АСС-деаминаза, фермент, снижающий уровень этилена, может уменьшить стресс и повысить урожайность. По мнению исследователей, ризобактерии, стимулирующие рост растений (PGPR), обладающие активностью АСС-деаминазы, улучшают рост растений в таких неблагоприятных условиях, как солевой стресс, недостаток воды, экстремальные температуры, заболачивание, воздействие тяжелых металлов, пестицидов и органических загрязнителей. Для поиска и описания стрессоустойчивых штаммов PGPR, продуцирующих АСС-деаминазу, использовались методы молекулярной биотехнологии и омики, такие как протеомика, транскриптомика, метагеномика и NGS. Эти микроорганизмы могут помочь сельскохозяйственным культурам процветать и переносить суровые условия окружающей среды.
Shankar и Prasad заметили, что устойчивые к десикации ризобактерии, стимулирующие рост растений (DT-PGPR), могут снизить пагубное влияние водного стресса на урожайность и физиологию пшеницы. В условиях десикационного стресса пять изолятов DT-PGPR - Anterobacter cloacae BHUAS1, Bacillus cereus BHUAS2, Bacillus megaterium BHUIESDAS3, 4 и 5 - размножались и способствовали росту растений. В эксперименте с растениями пшеницы, испытывающими водный стресс, инокуляция Enterobacter cloacae BHUAS1, Bacillus cereus BHUAS2 и Bacillus megaterium BHUIESDAS3 улучшила рост, содержание хлорофилла и каротиноидов, активность антиоксидантных ферментов и маркеры окислительного стресса. Штаммы DT-PGPR могут способствовать росту и повышению урожайности пшеницы в условиях водного стресса.
Инженерные микробные консорциумы: промышленное применение
Исследователи и инженеры могут разрабатывать инновационные решения для экологически безопасного производства (производство биотоплива, биоразлагаемых пластиков, антибиотиков, ферментов и биологически активных соединений), утилизации отходов и использования ресурсов, используя взаимодействие и синергизм микроорганизмов. Продолжающиеся исследования и технологический прогресс в этой области обещают открыть новые возможности для промышленного применения микробных консорциумов. В данном обзоре представлены следующие статьи, посвященные исследованию промышленных применений путем использования многофункционального потенциала микробных консорциумов.
В статье Benito-Vaquerizo et al. исследовано использование одноуглеродных соединений (C1), в частности CO2, в качестве экологически чистого сырья для получения ценных химических веществ. Они продемонстрировали, что ацетогены - микроорганизмы, способные утилизировать газовые смеси CO2/H2, - могут превращать эти субстраты в этанол и ацетат. Более широкий спектр продуктов, включая бутират, может быть получен при совместном культивировании ацетогенов с сольвентогенами, которые производят среднецепочечные жирные кислоты и спирты. В исследовании использовалось метаболическое моделирование для создания совместной культуры конкретных видов микроорганизмов, а экспериментальная проверка подтвердила целесообразность и перспективность использования таких микробных консорциумов для получения химических веществ из возобновляемых ресурсов.
Lobo-Moreira et al. утверждают, что промышленное использование консорциумов микроводорослей и грибов препятствует проведению исследований. В результате поиска по базам данных было обнаружено 1452 публикации за период с 1950 по 2020 год, причем число публикаций резко возросло после 2006 года. Китайские авторы и организации возглавили рейтинги публикаций в Китае, США и Германии. Консорциумы микроводорослей-грибов были ориентированы на получение биодизеля, накопление липидов, анаэробное сбраживание и переработку биогаза. Промышленные биофабрики на основе микроводорослей еще требуют проведения соответствующих работ. Интригующими являются идеи использования микроводорослей для борьбы с парниковыми газами.
В работе Pawar et al. представлен полный обзор расширяющегося использования микробных ферментов для замены химических процессов в промышленности. Благодаря своей универсальности и щелочной стабильности протеазы, особенно полученные из грибов, используются во многих отраслях. Грибы обладают более широким спектром протеаз и более безопасны для промышленного применения, чем бактериальные щелочные протеазы. В данной работе рассматриваются классификация, получение и использование щелочных протеаз из различных грибов, при этом особое внимание уделяется дальнейшим исследованиям щелочеустойчивых и щелочефильных грибов и их биотехнологическому потенциалу.
Wu et al. провели исследование, направленное на решение проблемы повышения качества табака, отвержденного дымом (FCT), путем создания функционально-ориентированной совместной культуры микроорганизмов. Они выделили Bacillus kochii SC, который уменьшает раздражающее действие табака, и Filobasidium magnum F7, который усиливает аромат и вкус. Совместное культивирование этих штаммов в определенном соотношении позволило значительно улучшить качество FCT всего за 2 дня, что превосходит по эффективности и стоимости традиционный процесс естественного старения, занимающий более 2 лет. Проведенное исследование продемонстрировало эффективность функционально-ориентированной ко-культуры в достижении желаемого качества табака и позволило предположить возможность ее применения в табачной промышленности.
Инженерные микробные консорциумы: экологическое применение
Применение микробных консорциумов позволяет находить инновационные решения различных экологических проблем. Такие консорциумы могут способствовать реабилитации поврежденных территорий, управлению отходами и восстановлению экологии за счет использования коллективных возможностей различных микроорганизмов.
Barman et al. объясняют, что белокрылка (Bemisia tabaci) является одним из основных вредителей сельского хозяйства и переносчиком вирусов растений. Генетическая вариация белокрылок из Западной Бенгалии (Индия) позволила выявить криптические виды. Большинство эндосимбионтов относились к роду Arsenophonus. Наиболее чувствительным к пестициду оказался тиаметоксам. Гены устойчивости к инсектицидам были повышены, а титры Arsenophonus и Wolbachia оказались связаны с устойчивостью. Результаты исследования свидетельствуют о том, что симбионтно-ориентированное управление может снизить численность белокрылки и уменьшить устойчивость к пестицидам.
Cui et al. установили, что производство этилена и изопрена, необходимых для производства полимеров и материалов, неэффективно и загрязняет окружающую среду, поэтому получение этих соединений из биомассы или CO2 необходимо для создания более экологичной экономики. В данном исследовании были созданы искусственные консорциумы штаммов E. coli, продуцирующих этилен, изопрен, и цианобактерий, продуцирующих сахарозу. Кроме того, для повышения урожайности сахарозы в штаммы цианобактерий был введен ген транспорта сахарозы, который обеспечивает перенос углерода и электронов между компонентами сообщества. Эти искусственные консорциумы вырабатывали больше этилена и изопрена, чем отдельные культуры E. coli, что свидетельствует об их преимуществах для платформы химического синтеза.
Danish et al. синтезировали наночастицы серебра (Ag-NPs) из экстракта листьев Cassia fistula и испытали их в качестве нанопестицидов против основных фитопатогенов томатов. Синтезированные различными методами Ag-NP имели сферическую форму со средним диаметром 16 нм. Ag-NP снижали жизнеспособность, морфологию и образование биопленок бактериальных и грибковых патогенов. Они также увеличивали рост растений томата, пораженных фитопатогенами, физиологические показатели и активность антиоксидантных ферментов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что синтезированные из экстракта листьев Cassia fistula Ag-NPs могут быть полезными и устойчивыми нанопестицидами в "зеленом" сельском хозяйстве для борьбы с заболеваниями и оздоровления растений.
Guo et al. отмечают, что биодоступность свинца имеет большое значение для прогнозирования экологических рисков и защиты здоровья человека от загрязнения окружающей среды свинцом. В данной работе разработаны биосенсоры загрязнения окружающей среды, не требующие большого количества оборудования, с использованием бактериальных биосенсоров с выходными сигналами визуального пигмента. Реконструкция пути биосинтеза антоциана на основе PbrR чувствительного элемента Pb(II) в Escherichia coli позволяет создать метаболический биосенсор. Этот биосенсор использует окрашенные производные антоциана в качестве визуального сигнала и лучше определяет низкие концентрации Pb(II), чем биосенсоры на основе флуоресцентных белков. Кроме того, биосенсор имеет большой диапазон линейного дозового отклика и не подвержен влиянию органических и неорганических образцов воды. Эти результаты показывают, что метаболическая инженерия природных красителей позволяет создавать видимые, чувствительные и экономически эффективные бактериальные биосенсоры для обнаружения загрязнений тяжелыми металлами.
Астафьева и др. создали искусственную растительно-бактериальную систему с использованием микроводорослей Micrasterias radians MZCH 672 и Dyadobacter sp. HH091. В чистых культурах водорослей представитель филума Bacteroidota HH091 значительно усиливал рост микроводорослей. При анализе транскриптома и генома обнаружены гены HH091, связанные с системой секреции IX типа (T9SS), которые могут быть вовлечены во взаимодействие бактерии и микроводорослей. Эти исследования помогут в изучении симбиотических микроводорослей и бактерий. Кроме того, совместное выращивание микроводорослей и бактерий окажет благоприятное коммерческое и экологическое воздействие на культивирование микроводорослей.
McClure et al. провели комплексное исследование хитин-деградирующего синтетического сообщества почвенных микроорганизмов и изучили, как оно реагирует на потерю ключевых членов. Они обнаружили, что отсутствие основного деградирующего микроорганизма, даже если другие члены сообщества потенциально могут заполнить ту же метаболическую нишу, приводит к коллапсу в росте и дыхании сообщества. Исследование показало, что одного разнообразия и избыточности недостаточно для устойчивости сообщества; для поддержания его роста новые виды должны обладать тем же фенотипом и сетью взаимодействия. Полученные результаты вносят вклад в наше понимание того, как ключевые виды и изменения геномной избыточности могут влиять на почвенные микробиомы и их способность адаптироваться к меняющемуся климату.
По мере того как мы будем осваивать этот новый рубеж синтетической биологии, междисциплинарное сотрудничество и обмен знаниями будут иметь жизненно важное значение. Инженеры, биологи, компьютерщики и специалисты по этике должны объединить усилия для решения стоящих перед нами научных, технических и этических задач. Кроме того, для раскрытия всего потенциала микробных консорциумов в восстановлении окружающей среды необходимо междисциплинарное сотрудничество биологов, экологов и экологов. Применяя этот инновационный подход, мы сможем продвинуться к более экологически безопасному и рациональному сельскому хозяйству, удовлетворяющему растущие потребности в производстве продуктов питания и сохраняющему наши природные ресурсы. Мы надеемся, что опубликованные в обзоре статьи вдохновят исследователей, политиков и промышленных партнеров на дальнейшее изучение и раскрытие потенциала сложных биологических сообществ для решения различных задач. Вместе мы сможем использовать мощь микробных консорциумов для решения глобальных проблем, улучшения здоровья людей и прокладывания пути к более безопасному будущему.
