Созданы биогибриды, способные при помощи солнечной энергии производить полезные вещества

Воскресенье, 18 Ноября 2018
Созданы биогибриды, способные при помощи солнечной энергии производить полезные вещества

Генетически сконструированные микробы, такие как бактерии и дрожжи, давно используются в качестве живых фабрик для производства лекарств и химических веществ. Но в последнее время исследователи начали комбинировать бактерии с полупроводниковой технологией, которые, подобно солнечным батареям на крыше дома, собирают энергию света и, когда они прикрепляются к поверхности микробов, могут увеличить потенциал биосинтеза.

Первые «биологически-неорганические гибридные системы» (биогибриды) в основном были сосредоточены на фиксации углекислого газа в атмосфере и производстве альтернативных энергий, и, хотя они были многообещающими, у них оказались ключевые проблемы. 

Например, полупроводники, изготовленные из токсичных металлов, наносимые непосредственно на бактериальные клетки часто вредят им в процессе. Кроме того, первоначальное внимание к углеродсодержащим микробам ограничивало диапазон продуктов относительно простыми молекулами; если биогибриды могут быть созданы на основе микроорганизмов, оснащенных более сложными метаболизмами, это откроет новые пути для производства гораздо большего количества полезных химических веществ.

Однако исследователи во главе с главным преподавателем Нилом Джоши и постдокторскими стипендиатами Джулинг Го и Мигелем Суастегиу из Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering and John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences  (SEAS) представили свое решение этих проблем.

- Мы расширили концепцию до дрожжей - организма, который уже является промышленной рабочей лошадкой и с генетической точки зрения легко управляем – модульным полупроводниковым компонентом, который обеспечивает биохимическую энергию для метаболических механизмов дрожжей без токсичности, - отметил Джоши, доктор философии.

Благодаря манипуляциям ученых значительно повысилась способность дрожжей производить шикимовую кислоту, важный прекурсор противовирусного препарата «Тамифлю», нескольких других лекарств, нутрицевтиков и химических веществ тонкого органического синтеза.

Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae, естественно, производят шикимовую кислоту, чтобы генерировать часть строительных блоков для синтеза белков и других биомолекул. Однако, генетически модифицируя центрального метаболизма дрожжей позволила клеткам поглощать больше атомов углерода, чем их основной источник питательных веществ, сахар-глюкоза, содержится в пути, который продуцирует шикимовую кислоту и предотвращает потерю углерода альтернативными путями, нарушая один из них.

- В принципе, увеличение «углеродного потока» в сторону шикимовой кислоты должно приводить к более высоким уровням продукта, но в нормальных дрожжевых клетках альтернативный путь, который мы нарушаем для увеличения урожайности, что не менее важно, также обеспечивает энергию, необходимую для запуска заключительной стадии шикимического кислотного производства, - сообщил один из сооавторов исследования.

Чтобы повысить более эффективный углеродный, но обедненный энергией инженерный путь шикиминовой кислоты, «мы предположили, что можно генерировать соответствующую энергонесущую молекулу NADPH вместо биогибридного подхода с помощью светособирающих полупроводников».

С этой целью исследователи разработали стратегию, в которой используется фосфид индия в качестве полупроводникового материала. 

- Чтобы сделать полупроводниковый компонент действительно модульным и нетоксичным, мы покрыли наночастицы фосфата индия натуральным«клеем» на основе полифенолов, что позволило нам присоединить их к поверхности дрожжевых клеток и в то же время изолировать клетки от токсичность металла, - говорится в работе ученых.

При привязке к поверхности клетки и попадании света полупроводниковые наночастицы собирают электроны (энергию) света и передают их на клетки дрожжей, которые перемещают их по стенкам их клеток в их цитоплазму. Там электроны поднимают уровни молекул NADPH, которые могут стимулировать биосинтез шикиминовой кислоты. 

- Биогибридные клетки дрожжей, когда их хранили в темноте, в основном продуцировали более простые органические молекулы, такие как глицерин и этанол, но при воздействии света они легко переключались в режим производства шикимовой кислоты с 11-кратным увеличением уровней продуктивности, показывая нам, что передача энергии от света в клетку работает очень эффективно, - сказал Джоши.

Создание живых устройств для сбора солнечной энергии может кардинально изменить способ взаимодействия с нашей природной средой и позволит нам быть более креативными и эффективными в проектировании и производстве энергии, медикаментов и химических товаров.

Следите за новостями в социальных сетях:

Спасибо, я уже в группе