Накопление биомассы культуры кишечной палочки проводят

Израильские ученые получили штамм кишечной палочки (Escherichia coli), способный к автотрофному питанию, сообщается в Cell. Бактерии, полученные в лаборатории с помощью генной инженерии и селекции, способны создавать органические вещества из углекислого газа в ходе реакций цикла Кальвина. Ожидается, что такая кишечная палочка будет способствовать биосинтезу нужных человеку веществ в промышленных масштабах без отходов в виде диоксида углерода.

Биотехнология давно позволяет внедрять в ДНК бактерий гены других организмов и делать так, чтобы эти гены экспрессировались, а в результате их экспрессии образовывались нужные вещества. Так в промышленных масштабах получают ряд гормонов (инсулин, гормон роста соматотропин), аминокислоты и другие вещества. Большая часть бактерий, которые для этой цели используют, — гетеротрофы. Это означает, что для производства органических веществ им нужны другие органические вещества. Этим они отличаются от автотрофов, которым для создания органики подходит неорганическое сырье — углекислый газ (CO2). Автотрофы поглощают его из воздуха и включают в состав более крупных молекул, такой процесс называется фиксацией углерода.

Учитывая, что содержание CO2 в атмосфере планеты растет, и вместе с этим меняется климат, было бы неплохо перевести биопроизводство на безотходный режим, «научить» бактерии синтезировать органические вещества из углекислого газа, который они же сами (или еще и кто-то другой) и произвели при дыхании. Попытки это сделать уже предпринимали различные группы ученых, но полученным в ходе их экспериментов бактериям для фиксации углерода все же требовались некоторые органические вещества. В лучшем случае такие организмы формировали из диоксида углерода лишь треть биомассы.

Исследователи из Института Вейцмана под руководством Рона Майло (Ron Milo) вывели кишечную палочку, которая может использовать для производства органики только углекислый газ без добавления каких-либо органических веществ. Для этого они добавили в ДНК Escherichia coli гены ферментов, необходимых для реакций цикла Кальвина (в ходе них CO2 превращается в органические вещества), инактивировали часть ферментов, необходимых для нормального обмена веществ гетеротрофам, и поместили полученные бактерии в биореакторы, где атмосфера содержит 10 процентов углекислого газа, а не 0,4 процента, как земная.

Несколько поколений бактерий держали в биореакторах, добавляя в среду некоторое количество сахара ксилозы, чтобы микроорганизмы-гетеротрофы могли выжить. Ксилоза не самый удобный источник углерода, поэтому бактерии, способные получать углерод из углекислого газа, получали в такой среде преимущество. Впервые их выделили из биореакторов через 203 дня после запуска эксперимента, а к 340 дню все бактерии были способны использовать CO2 как материал для построения органических веществ.

Источником энергии для фиксации углерода служила реакция окисления муравьиной кислоты. Хотя это вещество относится к органическим, его атомы E. coli не включали в состав органических молекул, а значит, муравьиная кислота здесь по определению не поддерживала гетеротрофный метаболизм.

Эксперимент показал, что известные бактерии можно в обозримые сроки «настроить» так, чтобы они производили органические вещества только из углекислого газа. Правда, пока полученные кишечные палочки производят больше CO2 при окислении муравьиной кислоты, чем поглощают его для цикла Кальвина. К тому же, нет стопроцентной уверенности, что автотрофных Escherichia coli так же легко получится выращивать в промышленных масштабах, для изучения этого вопроса нужны новые исследования.

Обмен веществ у бактерий очень пластичен, и их геномы легко меняются, благодаря чему возможностями и потребностями этих организмов можно управлять в широких пределах. А E. coli — еще и наиболее изученный микроорганизм. Поэтому неудивительно, что именно на базе ее штаммов создали бактерии с лишними «буквами» в ДНК и, наоборот, клетки с недостающими «словами» генетического кода. Также кишечной палочкой пробовали заменять митохондрии в клетках дрожжей и даже превращали ее в источник жесткого рентгеновского излучения.

Светлана Ястребова

Скромная бактерия за полстолетия с момента ее открытия в конце XIX в. стала настоящей волшебной палочкой для молекулярной биологии. Сейчас результаты опытов с ее использованием занимают главы и тома профессиональных и популярных изданий. Конечно, в нашем путеводителе по модельным организмам E. coli должна была занять свое почетное место.

Escherichia и Eschrichtius — Болезнь путешественников — Главная модельная бактерия — Учебник молекулярной генетики — Невезение с CRISPR/Cas

Кишечная палочка — один из первых мемов, с которым сталкиваются дети при знакомстве с биологией (рис. 1а). Запоминающееся, простое и забавное название. Помню, как узнал в детстве, что эта палочка может быть опасной — кто-то мучился животом, а родители сказали, что, наверное, кишечная палочка! Позже, уже в старшей школе, я узнал латинское название этой бактерии, и оно меня удивило, оказавшись каким-то не очень латинским. Оказывается, австрийский педиатр Теодор Эшерих (рис. 1б), который впервые выделил эту палочку из содержимого кишечника в 1885 году, вначале назвал ее благозвучно — Bacterium coli, что означает просто «кишечная бактерия». После ожидаемого пересмотра классификации бактерий род переименовали в честь первооткрывателя. По анекдотическому совпадению очень созвучно — Eschrichtius — называется одно из самых крупных существ на земле — серый кит (рис. 1в). Правда, этого гиганта так назвали в честь другого ученого — датского зоолога Даниэля Эшрихта, работавшего на полвека раньше (рис. 1г). В этом плане другой важной палочке — сенной — повезло больше, поскольку она до сих пор называется Bacillus subtilis, что в переводе — тонкая палочка.

Кишечная палочка живет… правильно, в кишечнике человека, составляя по численности не более 0,1% нормальной микрофлоры. Как и многие микроорганизмы, эта грамотрицательная палочка очень изменчива и из дружественного — комменсального — компонента микрофлоры кишечника зачастую превращается во вредный — патогенный. Практически каждый сталкивался с «колийной» инфекцией. Например, именно эшерихия вызывает большинство случаев диареи путешественников. В приморских районах местные жители иммунны к штаммам кишечной палочки, населяющим источники воды, поэтому от них страдают туристы. Одним из параметров качества питьевой воды считается косвенный показатель содержания в ней клеток кишечной палочки — так называемый коли-титр. Как и многие патогенные бактерии, кишечная палочка охотно приобретает свойства множественной устойчивости к антибиотикам . Так, в мире растет число случаев возвратного цистита [1] — воспаления мочевого пузыря — и других инфекций, вызванных мультирезистентными штаммами E. coli.

Зачем же такую опасную бактерию сделали модельной? Дело в том, что в условиях культивирования кишечная палочка часто теряет патогенность, становится неспособной жить в естественных для себя условиях (то есть одомашнивается). И этим свойством в 1940-е годы воспользовались микробиологи, проведя с лабораторными штаммами E. coli (например, со знаменитым штаммом К12) много прорывных для науки экспериментов.

Так, манипулируя мутированными штаммами кишечной палочки, которые уже научились получать при помощи облучения, Джошуа Ледерберг и Эдуард Лаури Тейтем в 1947 году обнаружили способность разных штаммов обмениваться генетическим материалом и спасать друг друга от образовавшихся дефектов, проявлявшихся в неспособности расти на минимальной питательной среде. Так был открыт процесс конъюгации бактерий, который затем послужил важным инструментом для картирования бактериального генома . Ведь тогда это можно было делать только косвенными, микробиологическими методами — сама природа генетического кода была неизвестна.

С начала 1950-х годов исследования по молекулярной генетике с использованием кишечной палочки и ее вирусов в качестве основного инструмента росли как снежный ком. Не будет преувеличением сказать, что к 70-м годам E. coli написала учебник молекулярной генетики! Вспомним открытие генетического кода, в котором участвовало несколько коллективов физиков и молекулярных биологов, в том числе Френсис Крик, Георгий Гамов и другие выдающиеся люди того времени [6]. Основные эксперименты по расшифровке кода велись на бесклеточных лизатах кишечной палочки.

Одновременно (или вскоре после этого) с помощью штаммов эшерихии были заложены основы современной молекулярной биологии. Французы Франсуа Жакоб и Жак Моно на примере лактозного оперона — серии генов E. coli, кодирующих каскад расщепления сахара лактозы, — раскрыли механизмы регуляции генной экспрессии — «самовыражения» генетического материала в виде работы белков, в данном случае — ферментов. На материале кишечной палочки описаны все процессы передачи информации в клетке: так называемые матричные процессы — репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Я помню, как в университете на микробиологии нам раздали учебники Стента и Кэлиндара по молекулярной генетике, издания, кажется, 1981 года. Вначале было непонятно, почему это нужно для микробиологии, а потом оказалось, что материал учебника — кстати, очень непростой для восприятия второкурсника — на две трети описывает эксперименты, проведенные на кишечной палочке и ее вирусах.

Позднее обнаружилось, что E. coli хорошо подходит для зародившейся в 1960–1970-е годы биотехнологии [7]. Бактерия хорошо переносит введение в свою клетку гетерологичных (то есть чужеродных) генов и во многих случаях способна синтезировать их продукты без вреда для себя. Белки, полученные таким способом, стали называть рекомбинантными, и теперь они широко используются в медицине и других практических задачах.

Кишечная палочка — возможно, самый исследованный организм с точки зрения молекулярной биологии. Тем не менее у элементов ее генома до сих пор обнаруживают новые свойства. Это одновременно плохо (как же мало мы знаем!) и хорошо (будет чем заняться!). Совсем недавно на защите диссертации я услышал о том, как у одной из генных кассет эшерихии, участвующей в каскаде переработки сульфолипидов, также обнаружена и лактазная активность [8]. До этого такая активность была известна только у знаменитого лактозного оперона Жакоба и Моно, описанного в 1961 году!

Кажется, что E. coli — модельный организм без недостатков. Тем не менее биотехнологам не повезло, что у этой бактерии от природы нет системы бактериального иммунитета CRISPR/Cas [9], о которой я уже упоминал в эссе о бактериофаге лямбда [3]. Именно поэтому эту систему, ныне незаменимую в генной инженерии, открыли относительно поздно.

Кишечная палочка-выручалочка — это здорово (рис. 2). Но теперь пора переместиться в мир ядерных организмов. Удобным инструментом для молекулярной биологии и генетики эукариот оказались одноклеточные грибы — дрожжи — и гаплоидный плесневый гриб — нейроспора. Как они дошли до такой одноклеточной и гаплоидной жизни и что было открыто с их помощью — читайте в следующем материале нашего путеводителя по модельным организмам через месяц.

Благодарность

Автор благодарит своего друга — биоинформатика Анну Казнадзей (ИППИ РАН) за ее увлекательный рассказ о новом «лактозном опероне» кишечной палочки, в открытии которого она участвовала.

1. Florian Hitzenbichler, Michaela Simon, Thomas Holzmann, Michael Iberer, Markus Zimmermann, et. al.. (2018). Antibiotic resistance in E. coli isolates from patients with urinary tract infections presenting to the emergency department. Infection. 46, 325-331;
2. Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
3. Модельные организмы: фаг лямбда;
4. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть I, историческая;
5. Молекулярная биология;
6. У истоков генетического кода: родственные души;
7. Биотехнология. Генная инженерия;
8. Anna Kaznadzey, Pavel Shelyakin, Evgeniya Belousova, Aleksandra Eremina, Uliana Shvyreva, et. al.. (2018). The genes of the sulphoquinovose catabolism in Escherichia coli are also associated with a previously unknown pathway of lactose degradation. Sci Rep. 8;
9. CRISPR-системы: иммунизация прокариот.