Новый путь призван заменить естественный метаболический путь, известный как гликолиз, серию химических реакций, которые почти все организмы используют для преобразования сахаров в молекулярные предшественники, необходимые клеткам. Гликолиз преобразует четыре из шести атомов углерода, содержащихся в глюкозе, в двухуглеродные молекулы, известные как ацетил-КоА, предшественник биотоплива, такого как этанол и бутанол, а также жирные кислоты, аминокислоты и фармацевтические препараты. Однако два оставшихся углерода глюкозы теряются в виде диоксида углерода.
Гликолиз в настоящее время используется в биопереработке для преобразования сахаров, полученных из растительной биомассы, в биотопливо, но потеря двух атомов углерода на каждые шесть введенных атомов рассматривается как серьезный пробел в эффективности процесса. Синтетический гликолитический путь исследовательской группы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе превращает все шесть атомов углерода глюкозы в три молекулы ацетил-КоА, не теряя ни одного из них в виде углекислого газа.Исследование опубликовано 29 сентября в рецензируемом журнале Nature.Главным исследователем исследования является Джеймс Ляо, профессор химической инженерии Фонда Ральфа М. Парсонса Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии.
Ведущий автор — Игорь Богорад, аспирант лаборатории Ляо.«Этот путь решил одно из самых серьезных ограничений в производстве биотоплива и биоочистки: потерю одной трети углерода из углеводного сырья», — сказал Ляо. «Это ограничение ранее считалось непреодолимым из-за того, как развивается гликолиз».Этот синтетический путь использует ферменты, обнаруженные в нескольких различных путях в природе.
Команда сначала проверила и подтвердила, что новый путь работает in vitro. Затем они с помощью генной инженерии создали бактерии E. coli, использующие синтетический путь, и продемонстрировали полное сохранение углерода. Полученные молекулы ацетил-КоА можно использовать для производства желаемого химического вещества с более высокой углеродной эффективностью.
Исследователи назвали свой новый гибридный путь неокислительным гликолизом или NOG.«Это принципиально новый цикл», — сказал Богорад. «Мы перенаправили самый центральный метаболический путь и нашли способ увеличить производство ацетил-КоА.
Вместо того, чтобы терять атомы углерода в углекислый газ, теперь вы можете сохранить их, повысить урожайность и производить еще больше продукции».Исследователи также отметили, что этот новый синтетический путь можно использовать со многими видами сахаров, которые в каждом случае имеют разное количество атомов углерода на молекулу, и углерод не будет потрачен впустую.«Для биоочистки повышение урожайности на 50 процентов было бы огромным увеличением», — сказал Богорад. «NOG может быть хорошей платформой с различными сахарами для 100-процентного преобразования в ацетил-КоА. Мы предполагаем, что NOG найдет широкое применение и откроет много новых возможностей благодаря способу экономии углерода».
Исследователи также предполагают, что этот новый путь можно использовать в производстве биотоплива с использованием фотосинтетических микробов.Другой автор статьи — Цзы-Шян Линь, который недавно получил степень бакалавра в области химического машиностроения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.