Предыдущая публикация
Эволюция уволена: ученые с нуля собрали метаболизм,
которого не существует в природе, и он работает лучше оригинала
66 ферментов заставили делать то, что биология считала невозможным последние 4 миллиарда лет.Учёные давно ищут способ превратить углекислый газ из климатической проблемы в полезное сырьё. Теперь исследователи из США сделали шаг, который заметно расширяет границы возможного: им удалось создать полностью искусственный метаболизм, способный превращать соединения, полученные из CO₂, в востребованные химические продукты.
Итак, команда биологов из Северо-Западного университета и Стэнфордского университета разработала систему, которая преобразует формиат — простую жидкую молекулу, легко получаемую из улавливаемого углекислого газа — в ацетил-КоА. Это ключевой метаболит, лежащий в основе обмена веществ всех живых клеток и служащий отправной точкой для синтеза множества более сложных соединений.
В качестве демонстрации работоспособности подхода исследователи пошли дальше и с помощью той же системы превратили ацетил-КоА в малат — соединение, широко используемое в пищевой промышленности, косметике и при производстве биоразлагаемых пластиков. Тем самым была показана не только теоретическая возможность преобразования углерода, но и практический потенциал получаемых продуктов.
Принципиальное отличие этой работы заключается в том, что описанный метаболический путь не существует в природе. Вместо использования живых организмов учёные собрали полностью синтетическую, бесклеточную систему из специально сконструированных ферментов. Эти ферменты выполняют химические реакции, которые ранее не наблюдались ни в одном известном биологическом процессе.
Метод получил название Reductive Formate Pathway, или сокращённо ReForm. Он рассматривается как важный шаг для синтетической биологии и технологий переработки углерода, поскольку открывает дорогу к новым способам устойчивого производства химических веществ и потенциально углеродно-нейтрального топлива.
В отличие от природных метаболических цепочек, работающих внутри клеток, ReForm функционирует полностью вне живых систем. Такой подход позволяет обойти ограничения, которые долгое время мешали эффективному использованию CO₂ в биотехнологиях. Внутри клетки реакции зависят от множества факторов, конкурируют с естественными процессами и плохо поддаются точной настройке. В бесклеточной среде этих проблем удаётся избежать.
Особенно важно то, что в природе просто не существует набора ферментов, способного напрямую превращать формиат в ацетил-КоА. Учёные взяли за основу биологические катализаторы, но сознательно вышли за рамки эволюционно сложившихся решений и собрали новый путь с нуля.
Работа вне клеток дала исследователям ещё одно важное преимущество — полный контроль над условиями реакций. Концентрации ферментов, состав среды, наличие сопутствующих факторов и скорость отдельных этапов можно настраивать с высокой точностью, что практически невозможно в живом организме.
Для создания ReForm команде пришлось сначала получить ферменты, способные выполнять принципиально новые задачи. Здесь на помощь пришла бесклеточная синтетическая биология — метод, при котором молекулярный «инструментарий» клетки извлекается и используется в пробирке. Такой формат позволяет работать с биохимией напрямую, не заботясь о выживаемости самой клетки.
Это открыло возможность быстрого отбора подходящих решений. Исследователи протестировали 66 различных ферментов и более трёх тысяч их вариантов, отбирая наиболее эффективные комбинации. В обычных условиях такой объём экспериментов занял бы месяцы, но в бесклеточной системе его удалось реализовать за считаные недели.
В итоговой версии ReForm всего 5 специально сконструированных ферментов выполняют 6 последовательных реакций, превращая формиат в ацетил-КоА. Система способна работать и с другими одноуглеродными соединениями — в частности, с формальдегидом и метанолом, что расширяет потенциальную область применения технологии.
Получается, метаболизм теперь вовсе не должен быть привязан к живым организмам. Искусственные биохимические цепочки начинают рассматриваться как самостоятельный инструмент, позволяющий по-новому подойти к переработке углерода и производству материалов. Если такие системы удастся масштабировать, они могут стать основой для промышленного синтеза химических веществ с минимальным углеродным следом.
Источник
Итак, команда биологов из Северо-Западного университета и Стэнфордского университета разработала систему, которая преобразует формиат — простую жидкую молекулу, легко получаемую из улавливаемого углекислого газа — в ацетил-КоА. Это ключевой метаболит, лежащий в основе обмена веществ всех живых клеток и служащий отправной точкой для синтеза множества более сложных соединений.
В качестве демонстрации работоспособности подхода исследователи пошли дальше и с помощью той же системы превратили ацетил-КоА в малат — соединение, широко используемое в пищевой промышленности, косметике и при производстве биоразлагаемых пластиков. Тем самым была показана не только теоретическая возможность преобразования углерода, но и практический потенциал получаемых продуктов.
Принципиальное отличие этой работы заключается в том, что описанный метаболический путь не существует в природе. Вместо использования живых организмов учёные собрали полностью синтетическую, бесклеточную систему из специально сконструированных ферментов. Эти ферменты выполняют химические реакции, которые ранее не наблюдались ни в одном известном биологическом процессе.
Метод получил название Reductive Formate Pathway, или сокращённо ReForm. Он рассматривается как важный шаг для синтетической биологии и технологий переработки углерода, поскольку открывает дорогу к новым способам устойчивого производства химических веществ и потенциально углеродно-нейтрального топлива.
В отличие от природных метаболических цепочек, работающих внутри клеток, ReForm функционирует полностью вне живых систем. Такой подход позволяет обойти ограничения, которые долгое время мешали эффективному использованию CO₂ в биотехнологиях. Внутри клетки реакции зависят от множества факторов, конкурируют с естественными процессами и плохо поддаются точной настройке. В бесклеточной среде этих проблем удаётся избежать.
Особенно важно то, что в природе просто не существует набора ферментов, способного напрямую превращать формиат в ацетил-КоА. Учёные взяли за основу биологические катализаторы, но сознательно вышли за рамки эволюционно сложившихся решений и собрали новый путь с нуля.
Работа вне клеток дала исследователям ещё одно важное преимущество — полный контроль над условиями реакций. Концентрации ферментов, состав среды, наличие сопутствующих факторов и скорость отдельных этапов можно настраивать с высокой точностью, что практически невозможно в живом организме.
Для создания ReForm команде пришлось сначала получить ферменты, способные выполнять принципиально новые задачи. Здесь на помощь пришла бесклеточная синтетическая биология — метод, при котором молекулярный «инструментарий» клетки извлекается и используется в пробирке. Такой формат позволяет работать с биохимией напрямую, не заботясь о выживаемости самой клетки.
Это открыло возможность быстрого отбора подходящих решений. Исследователи протестировали 66 различных ферментов и более трёх тысяч их вариантов, отбирая наиболее эффективные комбинации. В обычных условиях такой объём экспериментов занял бы месяцы, но в бесклеточной системе его удалось реализовать за считаные недели.
В итоговой версии ReForm всего 5 специально сконструированных ферментов выполняют 6 последовательных реакций, превращая формиат в ацетил-КоА. Система способна работать и с другими одноуглеродными соединениями — в частности, с формальдегидом и метанолом, что расширяет потенциальную область применения технологии.
Получается, метаболизм теперь вовсе не должен быть привязан к живым организмам. Искусственные биохимические цепочки начинают рассматриваться как самостоятельный инструмент, позволяющий по-новому подойти к переработке углерода и производству материалов. Если такие системы удастся масштабировать, они могут стать основой для промышленного синтеза химических веществ с минимальным углеродным следом.
Источник
Следующая публикация
Нет комментариев