Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики (NREL) обнаружили, что метаболический путь, который ранее считался функциональным только в фотосинтезирующих организмах, на самом деле является основным путем и может обеспечить эффективное преобразование углекислого газа в органические соединения.
Открытие проливает новый свет на сложную метаболическую сеть утилизации углерода цианобактериями, а также открывает двери для более эффективных способов производства химических веществ из углекислого газа или растительной биомассы, а не из нефти.
Открытие было проведено старшим научным сотрудником NREL Цзяньпином Ю и Вей Сюн, научным сотрудником директора NREL. Результаты были опубликованы в онлайн-издании Nature Plants..
Последнее открытие NREL последовало за недавней работой с цианобактериями, широко известными как сине-зеленые водоросли. Ученые NREL создали цианобактерию Synechocystis, которая не способна хранить углерод в виде гликогена, в штамм, способный метаболизировать ксилозу (основной сахарный компонент целлюлозной биомассы), таким образом превращая ксилозу и углекислый газ в пируват и 2-оксоглутарат, органические химические вещества, которые могут могут быть использованы для производства различных химикатов и биотоплива на биологической основе. При тестировании этого мутантного штамма в различных условиях роста ученые неожиданно обнаружили, что он выделяет большое количество уксусной кислоты.
"Это был большой сюрприз", сказал Ю.
Уксусная кислота - это химическое вещество, производимое в больших объемах для самых разных целей. Химическая промышленность производит более 12 миллионов тонн уксусной кислоты в год, в основном из метанола, который, в свою очередь, производится в основном из природного газа. Возможность производить уксусную кислоту в результате фотосинтеза может снизить зависимость страны от природного газа.
В то время как потенциальные применения являются многообещающими, исследователи были в основном заинтригованы тем, что они не могли объяснить производство уксусной кислоты известными путями. Традиционные пути с участием пируватдегидрогеназы не совсем соответствовали фактам. Они знали, что в этом может участвовать фермент, называемый фосфокетолаза, поскольку ранее предполагалось, что он активен у цианобактерий.
Вот тогда и началась настоящая детективная работа. Начав с ранее изученной фосфокетолазы, исследователи смогли идентифицировать ген slr0453 как вероятный источник фосфокетолазы у Synechocystis. Исследователи сосредоточились на своей добыче.
Следующим шагом детективной работы было отключить ген и посмотреть, что произойдет. Отключение его как у диких, так и у мутантных штаммов Synechocystis замедлило рост при солнечном свете, то есть в условиях, зависящих только от ассимиляции CO2 путем фотосинтеза, что свидетельствует о том, что этот ген играет роль в фотосинтезе углерода. метаболизм. Штаммы с отключенным геном не выделяли уксусную кислоту на свет в присутствии ксилозы.
Решающим моментом было то, что Synechocystis был способен производить уксусную кислоту в темноте при кормлении сахаром, но штаммы с отключенным геном не могли. Исследователи обнаружили, что фосфокетолазный путь отвечает исключительно за производство уксусной кислоты в темноте, а также вносит значительный вклад в метаболизм углерода на свету, когда поступает ксилоза..
«С точки зрения фундаментальной науки, это основной путь, который имеет потенциально важную функцию в регулировании преобразования энергии фотосинтеза», - сказал Ю. «Мы не начали с гипотезы о том, что в углеродном метаболизме активно участвует дополнительный путь; мы просто следовали нашим собственным открытиям и сделали это открытие."
Затем Сюн количественно оценил вклад недавно открытого пути, используя изотопы углерода, чтобы отследить, как ксилоза и углекислый газ превращаются в другие органические химические вещества. Результаты показали, что на фосфокетолазный путь фактически приходится значительная часть центрального углеродного метаболизма.
«Оказывается, фосфокетолазный путь является основным путем в наших экспериментальных условиях», - сказал Ю. «И поскольку он позволяет избежать потерь углерода, связанных с традиционными способами, широкий спектр биопродуктов и биотоплива можно производить более эффективно, используя этот путь».
«В этом открытии важны два аспекта, - сказал Юй. «Во-первых, это важный естественный метаболический путь цианобактерий, роль которого ранее не изучалась. Во-вторых, этот путь более эффективен, чем традиционные пути, поэтому его можно использовать для повышения продуктивности фотосинтеза."