Бактерии производят материалы, представляющие интерес для человека, такие как целлюлоза, шелк и минералы. Преимущество производства бактерий таким способом заключается в том, что оно является устойчивым, происходит при комнатной температуре и в воде. Недостатком является то, что процесс занимает много времени и приводит к получению слишком малых количеств для промышленного использования.
Следовательно, исследователи уже некоторое время пытаются превратить микроорганизмы в живые мини-фабрики, которые могут производить большее количество желаемого продукта и быстрее. Для этого требуется либо целенаправленное вмешательство в геном, либо выращивание наиболее подходящих штаммов бактерий.
Новый подход был представлен исследовательской группой под руководством Андре Стюдарта, профессора кафедры сложных материалов Швейцарской высшей технической школы Цюриха, с использованием целлюлозопродуцирующей бактерии Komagataeibacter sucrofermentans.
Следуя принципам эволюции путем естественного отбора , новый метод позволяет ученым очень быстро производить десятки тысяч вариантов бактерий и отбирать те штаммы, которые производят больше всего целлюлозы.
K. sucrofermentans естественным образом производит высокочистую целлюлозу, материал, который пользуется большим спросом для биомедицинских применений и производства упаковочных материалов и текстиля. Два свойства этого типа целлюлозы заключаются в том, что она способствует заживлению ран и предотвращает инфекции.
«Однако бактерии растут медленно и производят ограниченное количество целлюлозы. Поэтому нам пришлось найти способ увеличить производство», — объясняет Жюли Лоран, докторант в группе Стюдарта и первый автор исследования, опубликованного в научном журнале PNAS.
Разработанный ею подход позволил создать небольшое количество вариантов Komagataeibacter, которые производят до семидесяти процентов больше целлюлозы, чем в их исходной форме.
Исследователю материалов сначала пришлось создать новые варианты исходной бактерии, которая встречается в природе, — известные как дикий тип. Для этого Жюли Лоран облучала бактериальные клетки ультрафиолетовым светом, который повреждает случайные точки бактериальной ДНК. Затем она поместила бактерии в темную комнату, чтобы предотвратить любое восстановление повреждений ДНК и тем самым вызвать мутации.
Используя миниатюрный аппарат, она затем инкапсулировала каждую бактериальную клетку в крошечную каплю питательного раствора и позволила клеткам производить целлюлозу в течение определенного периода времени. После инкубационного периода она использовала флуоресцентную микроскопию , чтобы проанализировать, какие из клеток произвели много целлюлозы, а какие не произвели ее вообще или произвели очень мало.
С помощью системы сортировки, разработанной группой химика из ETH Эндрю Де Мелло, команда Штударта автоматически отсортировала те клетки, которые эволюционировали для производства исключительно большого количества целлюлозы. Эта система сортировки полностью автоматизирована и очень быстра.
За считанные минуты он может сканировать лазером полмиллиона капель и отсортировать те, которые содержат больше всего целлюлозы. Осталось только четыре, которые произвели на 50–70% больше целлюлозы, чем дикий тип.
Эволюционировавшие клетки K. sucrofermentans могут расти и производить целлюлозу в матах в стеклянных пробирках на границе между воздухом и водой. Такой мат в природе весит от двух до трех миллиграммов и имеет толщину около 1,5 миллиметров. Целлюлозные маты новых эволюционировавших вариантов почти в два раза тяжелее и толще дикого типа.
Джули Лоран и ее коллеги также проанализировали эти четыре варианта генетически, чтобы выяснить, какие гены были изменены ультрафиолетовым светом и как эти изменения привели к перепроизводству целлюлозы. Все четыре варианта имели одну и ту же мутацию в одном и том же гене. Этот ген является чертежом для фермента, разрушающего белок — протеазы.
Однако, к удивлению исследователя материалов, гены, которые напрямую контролируют производство целлюлозы, не изменились. «Мы подозреваем, что эта протеаза разрушает белки, которые регулируют производство целлюлозы. Без этой регуляции клетка больше не может остановить процесс», — объясняет исследователь.
Новый подход универсален и может быть применен к бактериям, которые производят другие материалы. Такие подходы изначально были разработаны для создания бактерий, которые производят определенные белки или ферменты.
«Мы первые, кто применил такой подход для улучшения производства небелковых материалов», — говорит профессор ETH Андре Стюдарт. «Для меня эта работа — важная веха».
Исследователи подали заявку на патент на свой подход и мутировавшие варианты бактерий. На следующем этапе они хотели бы сотрудничать с компаниями, производящими бактериальную целлюлозу, для тестирования нового микроорганизма в реальных промышленных условиях.
