За год команда сделала то, на что ушли миллионы лет. В текущем выпуске Plant Cell они описывают, как они изготовили синтетический белок, который не только улучшает сборку углерод-фиксирующей фабрики цианобактерий, но также обеспечивает доказательство концепции устройства, которое потенциально может улучшить фотосинтез растений или может быть использовано. установить новые метаболические пути у бактерий.
«Созданный нами многофункциональный белок можно сравнить со швейцарским армейским ножом», — сказал Рауль Гонсалес-Эскер, научный сотрудник МГУ и ведущий автор статьи. «Из известных существующих частей мы создали новый белок, который выполняет несколько важных функций».Для этого исследования Гонсалес-Эскер работал с Шерил Керфельд, заслуженным профессором структурной биоинженерии в лаборатории исследований растений Министерства энергетики штата Мичиган, и Тайлером Шубитовски, студентом МГУ. Лаборатория Керфилда изучает бактериальные микрокомпартменты, или BMC.
Это самособирающиеся клеточные органы, которые выполняют множество метаболических функций, и в некотором смысле они представляют собой молекулярные фабрики с множеством различных механизмов.Они модернизировали фабрику, обновив карбоксисому, особенно сложный BMC, который требует ряда белок-белковых взаимодействий с участием как минимум шести генных продуктов для формирования метаболического ядра, которое выводит CO2 из атмосферы и превращает его в сахар. Чтобы упростить этот процесс, команда создала гибридный белок в цианобактериях, организмах, которые имеют множество потенциальных применений для производства экологически чистых химикатов или биотоплива.
Новый белок заменяет четыре генных продукта, но при этом поддерживает фотосинтез. Уменьшение количества генов, необходимых для построения карбоксисом, должно облегчить перенос карбоксисом в растения. Эта установка должна помочь растениям улавливать углекислый газ.
По словам Гонсалеса-Эскера, улучшение их способности удалять CO2 из атмосферы делает это беспроигрышным.«Это сравнимо с приготовлением кофе.
Вместо того, чтобы использовать духовку для обжарки кофейных зерен, кофемолку для их обработки и пивоваренную машину, мы построили одну кофеварку, где все это происходит в одном месте», — сказал он. «Новый инструмент использует сырье и производит готовый продукт с меньшими затратами».Это доказательство концепции также показывает, что BMC можно разбить на сумму их частей, которые можно обменивать. «Поскольку они отвечают за множество разнообразных метаболических функций, BMC обладают огромным потенциалом для биоинженерии», — сказал Керфельд, который также является филиалом отдела физических биологических наук Национальной лаборатории Беркли.
«Мы показали, что можем значительно упростить строительство этих заводов», — сказала она. «Теперь мы можем потенциально перепроектировать другие естественные фабрики или придумать новые для метаболических процессов, которые мы хотели бы внедрить в бактериях».Однако этот измененный вид цианобактерий в ближайшее время не захватит ни пруды, ни мир.
Хотя улучшенные организмы преуспевают в фотосинтезе в лабораторных условиях, они плохо подготовлены к конкуренции с другими бактериями. Поскольку у них было лишено четырех генов, они не так гибки, как их естественные собратья.
«Цианобактерии приспособились жить в прудах, залитых солнцем, затененных, замороженных зимой, не говоря уже о других организмах, с которыми им приходится конкурировать, чтобы выжить», — сказал Керфельд. «Мы ограничили наши возможности и их возможности для роста; у них больше нет всех инструментов для конкуренции, а тем более для доминирования в естественной среде».