Дайджест новостей биотехнологии - ноябрь 2019

Escherichia coli, которая использует для своего роста только CO₂

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 CO₂ весь 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/

Искусственные нейроны на чипах для лечения хронических заболеваний

Международная группа ученых разработала искусственные нейроны на кремниевых чипах, которые ведут себя так же, как нейроны в организме. Первое в своем роде достижение может привести к разработке медицинских устройств для лечения хронических заболеваний, таких как сердечная недостаточность, болезнь Альцгеймера или другие нейродегенеративные нарушения.

Важно отметить, что искусственные нейроны не только ведут себя подобно биологическим нейронам, но и потребляют очень мало энергии: всего одну миллиардную мощность микропроцессора (140 нановатт), что делает их идеально подходящими для использования в медицинских имплантатах и других биоэлектронных устройствах.

Рис. 3. Один из искусственных нейронов в защитном кожухе на кончике пальца.	Рис. 4. Ален Ногарет, доктор философии, профессор (слева) и научный сотрудник Камаль Абу Хасан (справа) в лаборатории Университета Бата.

Исследователи описывают искусственные нейроны в исследовании, опубликованном в Nature Communications под названием «Optimal solid state neurons».

Проектирование искусственных нейронов, которые реагируют на электрические сигналы нервной системы так же, как настоящие нейроны, было главной целью в медицине на протяжении десятилетий, поскольку это открыло бы возможность лечения состояний, при которых нейроны не работают должным образом, были разорваны связи между ними, как при травме спинного мозга, или нейроны просто умерли. Искусственные нейроны могут восстанавливать проводящие пути, воспроизводя их здоровые функции и адекватно реагируя на биологическую обратную связь для восстановления функций организма.

Подробнее (англ): https://www.genengnews.com/news/artificial-neurons-on-a-chip-developed-to-treat-chronic-diseases/

Как биотехнология превращает отходы морепродуктов в упаковку

Шотландская компания «CuanTec» разрабатывает энергосберегающий способ переработки оболочек морских животных в пищевую упаковку. Переработка происходит при помощи бактериальной ферментации, использование которой способно уменьшить количество пластиковых отходов.

Технология призвана решить две проблемы: уменьшить количество пищевых отходов морепродуктов и зависимость современного общества от пластмасс.

CuanTec разрабатывает метод извлечения хитина из оболочек лангустинов. Затем хитин перерабатывается в хитозан, биоразлагаемый материал, который может заменить пластик в таких областях, как упаковка пищевых продуктов. Основное отличие хитозана от обычного пластика в том, что период его биологического разложения составляет всего 90 дней.

На рынке уже существуют компании, которые работают над методами переработки отходов морепродуктов в материалы (https://www.sciencenews.org/article/seafood-shells-chitin-plastic-food-waste). Однако, в отличие от «CuanTec», они зачастую используют такие химические вещества как гидроксид натрия и соляная кислота, безопасная утилизация которых требует большого количества энергии и имеет высокую стоимость.

CuanTec планирует выйти на рынок к 2021 году. Ее первым клиентом станет британский супермаркет Waitrose, который будет использовать этот материал для упаковки копченого лосося.

Подробнее (англ.): https://www.labiotech.eu/biotech-of-the-week/cuantec-recycle-scampi-bioeconomy/

Компания Avantium открыла демонстрационный завод, способный производить 10 тонн моноэтиленгликоля (МЭГ) в год, используя в качестве исходного материала растительное сырье.

Строительство завода в Нидерландах началось в прошлом году. Согласно плану, углеводы на производстве будут извлекаться из сельскохозяйственных отходов и культур, таких как сахарная свекла. Затем, с помощью процесса гидрогенолиза они будут преобразованы в МЭГ и станут пригодными к использованию в производстве текстиля и пластиковых бутылок. 

В настоящее время 99% МЭГ поступает из нефтехимической индустрии, которая производит мощные выбросы парниковых газов. Avantium стремится снизить зависимость общества от невозобновляемых видов топлива, вместо этого производя материал из сельскохозяйственных культур и растительных отходов. По оценкам компании, ее технология может снизить выбросы углерода на 70% по сравнению с традиционными источниками МЭГ.

Другие компании также разрабатывают технологии для производства МЭГ на основе растительного сырья, например, датская компания Haldor Topsoe и Greencol Taiwan Corporation. Однако крупнотоннажное производство МЭГ из такого сырья являются длительным и дорогостоящим, что приводит к удорожанию продукта – пластиковых бутылок. Avantium утверждает, что их процесс включает меньше шагов, чем у конкурентов, что делает его более экономичным для потребителей.

Подробнее (англ.): https://www.labiotech.eu/industrial/avantium-bioplastic-meg/