Новости

Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН проанализировали существующие подходы к редактированию геномов метанотрофных бактерий, которые позволяют придать этим микроорганизмам новые полезные свойства.     Это даст возможность более широко использовать метанотрофов в агротехнологиях, например, в качестве кормов для аквакультуры или сельскохозяйственных животных. Результаты исследования, проведенного в рамках национального проекта «Наука и университеты», опубликованы в журнале «Микробиология».    Метанотрофные бактерии — это микроорганизмы, которые используют метан в качестве субстрата для их роста. Они обитают в самых разных экосистемах, где одновременно доступны метан и кислород: от почв и болот до осадочных отложений на дне рек и морей. Эти бактерии играют ключевую роль в глобальном цикле углерода, уменьшая выбросы метана — одного из основных парниковых газов — в атмосферу.     Кроме того, метанотрофы имеют большой биотехнологический потенциал, однако сегодня он используется лишь частично. Самая очевидная область применения метанотрофов - в производстве белка из метана или природного газа – была реализована в промышленных масштабах еще полвека назад. Достоинства микробного белка как компонента кормов для аквакультуры и животноводства не вызывают сомнений, однако для трансформации этого производства в современную технологию нужны метанотрофы-продуценты с улучшенными свойствами, такими как быстрый рост и высокое содержание белка в биомассе.    Помимо кормового белка, с помощью метанотрофных бактерий можно получать и другие биологические соединения: каротиноиды, полигидроксибутират, полисахариды и осмопротекторы. Из-за дешевизны исходного сырья (метана) метанотрофы стали одним из ключевых объектов работ последних лет по метаболической инженерии. Цель этих работ – использовать метанотрофов как биологические фабрики для конверсии метана в различные метаболиты - органические кислоты, спирты и проч. Чтобы реализовать подобные замыслы, необходимо своеобразное «усовершенствование» бактерий путем редактирования их геномов. Ученые вынуждены прибегать к генной модификации, поскольку в первозданном виде метанотрофные бактерии продуцируют подобные метаболиты лишь в очень небольших количествах.    Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН вместе с коллегами из Пущинского научного центра биологических исследований РАН подготовили обзор ряда методов, которые используются при редактировании геномов метанотрофов. Интересно, что высоко востребованная ныне система генетического редактирования CRISPR/Cas9 пока не демонстрирует выдающихся результатов в применении к метанотрофным бактериям. Хотя этот подход пытались задействовать различные исследователи, к настоящему времени опубликовано лишь единственное сообщение о его успешном применении для редактирования генома метанотрофа, причем эффективность модификации была очень низкой.    Наиболее эффективным способом редактирования геномов метанотрофов остается метод трансформации. Часто используемым подходом является трансформация на основе конъюгации. Конъюгация – это перенос части генетического материала, например, плазмиды, при непосредственном контакте двух бактериальных клеток – клетки метанотрофа и конъюгативного штамма E. coli S-17-1.        Благодаря такой трансформации, например, был получен штамм метанотрофа с удаленными генами синтеза гликогена, чтобы избежать накопления в клетках этого запасного соединения и перенаправить поток углерода на синтез белка. В обзоре, подготовленном учеными, приведен и ряд других примеров успешных работ по созданию биотехнологически-ценных штаммов метанотрофных бактерий.

Трудно представить себе праздничный стол без хлеба, мяса, овощей, вина, пива или тарелки французских сыров для тех, у кого более притязательный вкус.     Наслаждение этими деликатесами в кругу семьи и друзей - это часть того, что делает праздники такими веселыми. Эти продукты и напитки появились в результате одомашнивания нескольких различных животных, растений и микробов. Одомашнивание растений и животных хорошо изучено, поскольку считается, что это было самым значительным изменением в недавней истории человечества. Однако ученые гораздо меньше знают об одомашнивании микробов, и в результате общество не ценит их важнейший вклад в продукты питания и напитки, которыми мы наслаждаемся круглый год.    Я эволюционный биолог (автор статьи Антонис Рокас, руководитель отдела инфекции, иммунологии и воспаления Университета Вандербильта - прим.ред.), изучающий грибы - группу микробов, одомашнивание которых дало нам множество вкусных продуктов. Меня давно интересуют два вопроса: каковы генетические изменения, которые привели к их одомашниванию? И как наши предки догадались одомашнить их? Вам тоже интересно? Последние исследования пролили свет на эти вопросы, так что садитесь за сыр камамбер и пиво и продолжайте читать. Гибриды в вашем пиве    Если говорить об одомашнивании, то трудно превзойти в этом деле пивные дрожжи. Являясь краеугольным камнем хлебопекарной, пивоваренной и винодельческой промышленности, пивные дрожжи обладают удивительной способностью превращать сахара растительных плодов и зерна в спирт. Как пивные дрожжи приобрели такую способность?    Благодаря открытию новых видов дрожжей и секвенированию их геномов ученые узнали, что некоторые дрожжи, используемые в пивоварении, являются гибридами, то есть потомками древних брачных союзов особей двух разных видов дрожжей. Гибриды, как правило, похожи на оба родительских вида.    Так, например, пивные дрожжи являются гибридами двух близкородственных видов: пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces eubayanus. Saccharomyces cerevisiae производят вкусное пиво, такое как британский эль, но лучше растут при более теплых температурах. Saccharomyces eubayanus, напротив, лучше растут в холоде, но производят соединения, которые портят вкус пива.     Гибриды пивоваренных дрожжей сочетают в себе лучшие качества обоих видов - хорошие вкусовые качества Saccharomyces cerevisiae и рост при более низких температурах благодаря Saccharomyces eubayanus. Благодаря этому такие гибриды отлично подходят для приготовления пива в холодные зимы Европы, где и был изобретен лагер (лагер - тип пива, при изготовлении которого используется низовое брожение с последующей ферментацией при низкой температуре. В настоящее время это наиболее распространённый тип пива, доля которого в мировом потреблении доходит до 80% - прим.ред.).    Исследователи также обнаружили естественные гибриды от объединения других видов Saccharomyces. До сих пор неизвестно, является ли гибридизация нормой или исключением для дрожжей, которые люди использовали для приготовления ферментированных напитков на протяжении тысячелетий. Чтобы ответить на этот вопрос, группа ученых Висконсинского университета и из университетов Гента в Бельгии изучили геномы сотен дрожжей, участвующих в пивоварении и виноделии. Их итог? Гибриды рулят. Выяснилось, что четверть дрожжей, отобранных из промышленных объектов, включая производителей пива и вина, являются гибридами.    Удивительно, но некоторые гибриды ведут свое происхождение от трех или четырех различных родительских видов. Зачем вся эта гибридизация, спросите вы? Подобно гибридам пива, эти недавно обнаруженные гибриды различаются по тому, чем они любят питаться и как быстро растут. Эти предпочтения, возникшие в результате гибридизации, влияют не только на то, как люди используют их в пивоварении, но и на вкусовые профили получаемых сортов. Мутанты в вашем сыре    Сравнение геномов одомашненных грибов с их дикими родственниками помогает ученым понять генетические изменения, которые привели к появлению некоторых любимых продуктов питания и напитков. Но как наши предки одомашнили эти дикие грибки? Никто из нас не был свидетелем того, как все начиналось. Чтобы разгадать эту загадку, ученые экспериментируют с дикими грибками, чтобы узнать, могут ли они эволюционировать в организмы, похожие на те, которые мы используем для приготовления пищи сегодня.    Бенджамин Вулф, микробиолог из Университета Тафтса, и его команда занялись этим вопросом, взяв дикую плесень Penicillium и выращивая образцы в течение месяца в своей лаборатории на субстрате, включающем сыр. Это может показаться незначительным сроком для людей, но для грибков он охватывает многие поколения. Дикие грибки очень тесно связаны с грибковыми штаммами, используемыми сыродельной промышленностью при изготовлении сыра камамбер, но внешне очень отличаются от них. Например, дикие штаммы имеют зеленый цвет и пахнут плесенью, в отличие от белых промышленных штаммов без запаха. Колонии плесени Penicillium, выделенные из голубого сыра. Белая колония - это одомашненная версия дикой плесени. Фото: Benjamin Wolfe.    Для Вулфа главным вопросом было то, сможет ли он экспериментально воссоздать процесс одомашнивания и в какой степени. Как выглядели и пахли дикие штаммы после месяца выращивания на сыре? Примечательно, что он и его коллеги обнаружили, что в конце эксперимента дикие штаммы были гораздо более похожи на известные промышленные штаммы, чем на своего дикого предка. Например, они были белого цвета и гораздо меньше пахли плесенью.    Грибки тратят много энергии на производство пигментов и едких соединений, которые позволяют им конкурировать и защищаться. Комфортная жизнь на сырной диете и безопасность от хищников означает, что потеря способности вырабатывать, скажем, пигменты может быть выгодна. Это потому, что сэкономленная энергия может быть направлена на рост колонии грибов.    Но как дикий штамм превратился в одомашненную версию? Мутировал ли он? Секвенировав геномы диких предков и одомашненных потомков и измерив активность генов при выращивании на сыре, группа Вулфа выяснила, что эти изменения произошли не в результате мутаций в геномах организмов. Скорее всего, они произошли в результате химических модификаций, которые изменяют активность определенных генов, но не меняют генетический код. Такие, так называемые эпигенетические изменения, могут происходить гораздо быстрее, чем мутации. Путь к одомашниванию, похоже, более быстрый, чем считалось ранее, что, возможно, побудит смелых сыроделов начать экспериментировать с одомашниванием диких грибов для получения новых вкусов.    Наслаждаясь любимыми блюдами и напитками в эти праздничные дни, вспомните об этих микроскопических грибках, о том, как они развили свои могущественные способности и насколько более скучным был бы наш мир без них.