Грибок и бактерию «запрягли в упряжку» для производства биотоплива
Чтобы производство биотоплива не покушалось на сырье, которое можно было бы потратить на продовольствие, ученые давно пытаются делать биотопливо из целлюлозы – сурового полимера (именно он придает древесине жесткость). Увы, целлюлозу нелегко «переварить», а умеющие делать это организмыплохо умеют вырабатывать вещества, которые можно было бы залить в топливный бак.
Чтобы обойти это препятствие, ученые пытались «сконструировать» микроб, который мог бы выполнять обе задачи – поглощать целлюлозу и перерабатывать ее в топливо. Но эти попытки не привели к ощутимым результатам. Поэтому исследователи из Мичиганского университета решили «подключить» к делу пару организмов, сообщает Ars Technica.
Глюкоза легко переваривается и используется как топливо для внутриклеточных процессов. Ее полимер целлюлоза, напротив, - очень большой и сложный, и перерабатывать его нелегко. Способные на это организмы в природе имеются (иначе леса были бы завалены мертвыми деревьями), но генетической манипуляции они почти не поддаются. Лабораторные модельные организмы, напротив, легко модифицируются, но не расщепляют целлюлозу.
Итак, ученые взяли грибок Trichoderma reesei. Он вырабатывает ферменты, которые расщепляют целлюлозу за пределами клетки так, что ее волокна не нужно «всасывать» внутрь. Грибок рассчитывает на то, что он быстро успеет «схватить» глюкозу около клетки, пока это не сделает другой организм. Но ученые рассчитали, что достаточно много глюкозы «убегает» и попадает к «чужим» - а именно, кишечной палочке E. coli, стандартного модельного организма в микробиологических исследованиях. Штаммы E.coli были генетически модифицированы и «настроены» на выработку изобутанола – алкоголя с большей удельной энергоёмкостью, чем у этанола (наиболее распространенного биотоплива).
В норме Trichoderma reesei и E. coli сосуществуют в микробных сообществах, образующих сложные экосистемы. Но когда осталось лишь два этих вида, отношения между ними упростились. В терминах теории игр Trichoderma reesei можно назвать «участником коалиции» - он выделяет глюкозу из целлюлозы, и ее потом могут использовать другие организмы. E. coli, напротив, является мошенником – она «таскает» глюкозу у грибка, не давая ему ничего взамен.
Авторы исследования создали модель взаимодействия двух организмов, рассчитав, насколько быстро глюкоза стимулирует рост бактерий, и сколько глюкозы E.coli может выкачать, не нанося непоправимого вреда популяции грибка. Потом они начали «обкатывать» модель, вводя различные исходные соотношения двух видов. Хотя все популяции в конечном итоге пришли к равновесию (это заняло от 12 до 60 поколений), ученые выяснили, что пропорция 1:1 сразу же обеспечивает высокий уровень производства биотоплива. КПД системы преобразования целлюлозы в этанол достигает 60% от теоретически возможного.
Разработанная авторами модель на основе теории игр может прогнозировать работу и иных аналогичных систем. Кишечной палочке можно дать в напарники другой грибок, настроить ее на другой источник энергии, и даже на другой итоговый продукт.
Данные исследования представлены в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Артём Космарский nauka21vek.ru