Учёные нашли источник «лени» микробов и научились повышать их продуктивность

Исследователи из Университета Вашингтона в Сент-Луисе выявили причину нестабильной продуктивности микроорганизмов в биореакторах и разработали методы, позволяющие поддерживать каждую клетку в состоянии максимальной производительности.

Микробы, подобно людям, могут быть непредсказуемы: в один момент они активно производят полезные химические вещества в промышленных ферментерах, а в другой — их продуктивность необъяснимо падает. Это явление, известное как «метаболический шум», долгое время оставалось загадкой для биоинженеров.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные отслеживали сотни клеток кишечной палочки (E. coli), производящих жёлтый пищевой пигмент бетанин, в процессе их роста и деления.

Понимание метаболического шума

«Подобно поведению человека, иногда микробы мотивированы усердно работать, но они «устают» гораздо быстрее и легче», — пояснил Фучжун Чжан, профессор энергетической, экологической и химической инженерии и соавтор работы.

Биоинженеры давно наблюдали большие различия в метаболизме отдельных клеток, однако было неясно, что именно их вызывает. Ответ кроется в поведении отдельных клеток, изучение которого является крайне сложной задачей.

Новые инструменты и стратегии

Для решения этой проблемы команда создала микрофлюидные устройства и модифицировала E. coli для производства уникального ярко-жёлтого метаболита, который легко отслеживать. Это позволило обнаружить, что производство пигмента колеблется очень быстро, а около 50% этого «шума» вызвано флуктуациями в количестве фермента, ответственного за синтез, из-за стохастичности (случайности) в экспрессии генов.

На основе экспериментальных данных были разработаны компьютерные модели, которые показали, что обогащение популяции клетками со случайно повышенной выработкой фермента приводит к существенному росту производства целевого вещества. Эта стратегия была успешно подтверждена в ферментационных экспериментах.

«Мы создали генную цепь, которая позволяет клеткам с более высокой случайной экспрессией фермента расти быстрее, — сказал Чжан. — Эти клетки также становятся высокопродуктивными производителями бетанина, что даёт нам больше продукта в целом».

Эта работа является частью усилий по разработке новых возможностей биопроизводства для поддержки экономики замкнутого цикла с нулевыми отходами, включая сложную задачу удержания микробных «работников» сфокусированными на создании возобновляемых продуктов.

Источник: Washington University in St. Louis