Бактерии могут стать отличными союзниками в борьбе с изменением климата. А команда исследователей обнаружили цианобактерию, способную питаться CO2 гораздо быстрее, чем другие.
Этот вид бактерий дополняет и без того большой список микробов, которые естественным образом эволюционировали, чтобы поглощать CO2 как эффективный способ удаления парниковых газов из атмосферы.
Наука ищет возможные применения этих организмов в борьбе с климатическим кризисом. Недавние исследования показали, что бактерии могут также производить полезные химические вещества, а также улавливать CO2.
Введение
Способность улавливать и фиксировать CO2 является общим для растений и микроводорослей (1), однако бактерии обладают многими конкурентными преимуществами, в том числе высокой скоростью роста и значительно более быстрым жизненным циклом, способностью существовать в культуре с высокой плотностью и способностью легко поддаваться генной инженерии.
БактерииКроме того, как и другие микробы, они могут производить широкий спектр соединений, полезных для промышленности и защиты экосистем.
Открытие цианобактерий
В сентябре 2022 г. была обнаружена цианобактерия, способная преобразовывать CO2 в биомассу быстрее, чем любой другой известный организм.
экспедиция проводится команда из 'Проект 2 границы(2) совместно с исследователями из Университета Палермо, направленными именно на изучение особой экосистемы Байя-ди-Леванте, расположенной рядом с Эоловым островом Вулкано, характеризующейся уникальными в мире неглубокими углеродными инфильтрациями и градиентом растворенный углекислый газ, который поступает из-за вулканических просачиваний при чрезвычайно низком pH.
Углерод который вытекает, заполняет воду, создавая редкую экосистему, которая содержит формы жизни, до сих пор неизвестные.
2 пограничных проекта
Открытие цианобактерий является частью одного из ключевых проектов 'Проект 2 границы' или (2FP), УГЛЕРОД 1.
2FP представляет собой исследовательскую инициативу, объединяющую команда микробиологов, занимающихся «научным исследованием» океанов и космоса в поисках форм микробов, приспособленных к экстремальным условиям. Эти до сих пор неизвестные виды на самом деле могут решить серьезные социальные проблемы, такие как изменение климата, обесцвечивание кораллов или межпланетное выживание.
УГЛЕРОД 1 Исследование Эолийских островов началось именно с гипотезы о том, что в местах на Земле с самым высоким содержанием CO2 могут обитать организмы, наиболее подходящие для его потребления. На самом деле, эоловая цианобактерия, поразившая команду, обладает уникальными характеристиками, в том числе удивительной скоростью использования CO2.
Разработки 2 пограничных проекта
Исследование 2FP была разработана во время второй экспедиции CARBON 2 на горячие источники Скалистых гор в Колорадо, США, где уровень CO2 еще выше.
Результаты CARBON 2 в настоящее время анализируются, но есть большая надежда, что, как и первая партия, мы сможем найти другие интересные формы жизни.
Тем временем вся собранная информация об обнаруженных микроорганизмах будет опубликована и доступна другим ученым в виде база данных который сопоставляет последовательности ДНК с хранящимися бактериальными образцами.
Ферменты фиксации СО2
Ферменты которые позволяют этим организмам улавливать и фиксировать CO2, в основном: рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (также называемая RuBisCO) и карбоангидраза (CA). Оба фермента распространены как в архейных, так и в бактериальных доменах.
В дополнение к преобразованию CO2 эффективно превращаясь в биомассу, некоторые из этих организмов могут также преобразовывать ее в полезные соединения, такие как окись углерода, метан, метанол или диметиловый эфир (ДМЭ), олефины и высшие углеводороды, которые могут внести значительный вклад в защиту экосистемы.
Синтетическая биология и усовершенствование механизма секвестрации CO2
Сильный интерес Обнаружение огромного потенциала этих бактерий недавно привело к использованию синтетической биологии, белковой и метаболической инженерии для воссоздания новых организмов, способных фиксировать CO2.
синтетическая биология ему удается реконструировать и изменить врожденные метаболические пути фиксации СО2, модифицируя их для развития и оптимизации эффективности и продолжительности ферментов фиксации СО2.
Кишечная палочка спроектированный
Среди первых бактерий прокариоты были биологически сконструированы. E. палочки. Например, в 2019 году в исследовании, опубликованном в Cell (3), исследователи из Институт Вейцмана в Израиле они сообщили, что они разработали штамм бактерии Кишечная палочка, способные потреблять CO2 для получения энергии, а не использовать органические соединения, такие как сахара и жиры.
С другой стороны, результат не был ни удовлетворительным, ни промышленным, в частности из-за того, что сконструированная бактерия выделяла больше CO2, чем поглощала.
Другие прокариоты, представляющие интерес
Другие исследования также продемонстрировали интересную пластичность углеродного метаболизма у углеродфиксирующих бактерий, включая Синехококк удлиненный. (4)
Другие инженерные бактерии для того, чтобы реализовать свою способность фиксации CO2, Ралстония эутрофа (5), который в присутствии O2 способен синтезировать биомассу, топливо или химические соединения, начиная с более низких концентраций CO2 и Родопсевдомонас болотный (6), который показал восстановление CO2 до метана. Споромуза овата (7), наконец, показали высокую скорость восстановления и фиксации CO2 под действием солнца с преобразованием в ацетат.
Выводы и перспективы
Перспектива есть надежда, что эти инновации смогут найти применение для секвестрации и фиксации CO2 параллельно и в поддержку продолжающегося энергетического перехода.
Помимо инженерной бактерий, последние достижения также сосредоточены на улучшении биотехнологии культивирования цианобактерий и микроводорослей с помощью фотобиореакторов (PBR) в качестве устойчивой альтернативы для снижения производственных затрат в промышленных масштабах. (8)
Джулия Пьетроллини
Внимание
(1) Дарио Донго и Джулия Пьетроллини. Водоросли и микроводоросли. Углеродное сельское хозяйство и повторное использование CO2. ПОДАРОК (Великая итальянская торговля продуктами питания).
(2) Проект «Две границы». Официальный веб-сайт. https://twofrontiers.org/expeditions/carbon1
(3) Глейзер С., Бен-Ниссан Р., Бар-Он Ю.М. и др. Преобразование Escherichia coli для получения всего углерода биомассы из CO2. Ячейка. 2019 27 ноября; 179(6):1255-1263.e12. doi: 10.1016/j.cell.2019.11.009
(4) Канно М., Кэрролл А.Л., Ацуми С. Глобальная метаболическая перестройка для улучшения фиксации СО2 и производства химических веществ у цианобактерий. Nat Commun. 2017;8(1):1–11. doi: 10.1038/ncomms14724
(5) Liu C, Colón BC, Ziesack M, Silver PA, Nocera DG. Система расщепления воды-биосинтеза с эффективностью восстановления CO2, превышающей фотосинтез. Наука. 2016;352(6290):1210–1213. doi: 10.1126/наука. aaf5039
(6) Fixen KR, Zheng Y, Harris DF, et al. Управляемое светом восстановление диоксида углерода до метана нитрогеназой в фотосинтезирующей бактерии. Proc Natl Acad Sci. 2016;113(36):10163–10167. doi: 10.1073/pnas.1611043113
(7) Su Y, Cestellos-Blanco S, Kim JM, et al. Плотно упакованные гибриды нанопроволоки и батареи для эффективной фиксации CO2 с помощью солнечной энергии. Джоуль. 2020;4(4):800–811. doi: 10.1016/j.joule.2020.03.001
(8) Cheng J, Zhu Y, Zhang Z, Yang W. Модификация и улучшение штаммов микроводорослей для усиления фиксации CO2 из угольных дымовых газов на электростанциях. Биорес Технол. 2019 год; 291:121850. doi: 10.1016/j.biortech.2019.121850
Получил высшее образование в области промышленной биотехнологии и увлечен устойчивым развитием.
