Нефотосинтезуючу бактерію можна навчити фотосинтезу, помістивши її в сприятливе середовище

Нефотосинтезуючу бактерію можна навчити фотосинтезу, помістивши її в сприятливе середовище
Схема гібридної фотосинтезуючої системи, створеної американськими біоінженерами. Бактерії Moorella thermoacetica діляться і ростуть, осаджуючи на своїй поверхні наночастинки сульфіду кадмію (показані жовтим кольором). В результаті бактерії «фотосенситизуються», тобто набувають здатності до фотосинтезу: виробництву органіки (оцтової кислоти) з вуглекислого газу за рахунок енергії світла.

Американські хіміки та біоінженери створили «гібридну» фотосинтезуючу систему, в якій світлозбиральну функцію виконують наночастинки сульфіду кадмію, а жива нефотосинтезуюча бактерія Moorella thermoacetica забирає у них збуджені світлом електрони і використовує для відновлення CO2 і синтезу органіки. Біотехнічні пристрої, які перетворюватимуть енергію сонячного світла в потрібні людині органічні речовини, колись перевершать за ефективністю звичайні фотосинтезуючі організми.

Навчитись ефективно використовувати сонячну енергію, зокрема для синтезу органіки, — найактуальніша задача, яка стоїть перед людством. Хіміки та біоінженери докладають чималих зусиль для її вирішення.

Фахівці впевнені, що природний процес фотосинтезу може бути поліпшений або, принаймні, оптимізований під наші потреби. Деякі етапи фотосинтезу вже сьогодні ефективніше здійснюються штучними неорганічними матеріалами, ніж їх органічними аналогами. Наприклад, напівпровідникові світловловлювачі можуть перевершувати біологічні світлозбираючі комплекси за ефективністю виробництва фотозбуджених електронів. Однак подальше використання таких електронів для відновлення CO2 за допомогою абіогенних каталізаторів — задача вкрай важка. Живі клітини справляються з цим краще. До того ж вони самі себе ремонтують, та ще й розмножуватись вміють.

Тому великі надії покладаються на створення «гібридних» фотосинтезуючих систем, що складаються з неорганічних і органічних компонентів. Такі системи могли б зібрати воєдино кращі досягнення технічного прогресу і біологічної еволюції. Певні успіхи на цьому шляху вже досягнуті.

Хіміки з Каліфорнійського університету в Берклі (США) повідомили в першому випуску журналу Science за 2016 рік про створення дивовижної гібридної фотосинтезуючої системи, яка складається з нефотосинтезуючої бактерії і неорганічних наночастинок — світловловлювачів, які бактерія сама осаджує на своїй поверхні з розчину.

Біологічним компонентом гібридної системи стала бактерія Moorella thermoacetica. Цей мікроб був обраний з кількох причин. По-перше, у нього дуже пластичний метаболізм. Він може рости і як гетеротроф, харчуючись готовою органікою (наприклад, глюкозою), і як хемоавтотроф, самостійно виробляючи органіку з вуглекислого газу, причому енергію і електрони, необхідні для фіксації CO2, він може отримувати шляхом окислення широкого кола різних органічних і неорганічних субстратів. Цю бактерію можна навіть «годувати» електронами прямо з електрода, і вона буде їх поглинати, використовувати для відновлення CO2 і за рахунок цього рости і розмножуватись. Мікробів, що володіють такою здатністю, називають «електротрофами».

Moorella thermoacetica використовує для фіксації CO2 не цикл Кальвіна, як всі рослини і багато автотрофних мікроорганізмів, а інший, можливо більш давній і примітивний, біохімічний шлях — так званий відновлювальний шлях ацетил-коферменту А, або шлях Вуда-Юнгдаля. Особливістю цього шляху є виробництво великої кількості органіки (а саме оцтової кислоти) як побічного продукту, який клітиною далі не використовується і просто виводиться назовні. Приблизно 90% зафіксованого бактерією CO2 перетворюється на непотрібний їй оцет, а не біомасу (з якої технічно складно витягати корисні для нас компоненти). З точки зору самої бактерії це, можливо, і марнотратно, зате з погляду розробки біотехнічних пристроїв, що виробляють органіку для використання людиною, — дуже зручно. Передбачається, що генна інженерія в майбутньому дозволить модифікувати бактерію, щоб вона виробляла не тільки оцет, а й якісь інші потрібні людині органічні речовини.

Електротрофність робить бактерію Moorella thermoacetica чудовим кандидатом на роль біологічного компоненту гібридних фотосинтезуючих систем. Для цього її потрібно лише приєднати до напівпровідникового світловловлювача — наприклад, до шматочка сульфіду кадмію, який постачатиме бактерії збуджені світлом електрони, а вона буде їх поглинати і використовувати для відновлення CO2.

Залишається придумати, як їх з'єднати і змусити взаємодіяти, тобто як створити ефективний бактеріально-напівпровідниковий інтерфейс.

Рішення, знайдене авторами, вражає своєю простотою і витонченістю. Вони скористались здатністю бактерій до біомінералізації — формування частинок різних мінералів, у тому числі всередині власних клітин або на їх поверхні. Зокрема, відомо, що вироблені бактеріями пептиди, які містять амінокислоту цистеїн, сприяють формуванню частинок сфалериту (сульфіду цинку).

Виявилось, що якщо в культуру бактерій Moorella thermoacetica додати кадмій у вигляді нітрату (Cd(NO3)2) і цистеїн, то на поверхні бактеріальних клітин самі собою осідають наночастинки сульфіду кадмію CdS.

Така бактерія, обліплена напівпровідниковими світловловлювачами, перетворюється на фотосинтезуючий організм! Вона набуває здатності фіксувати CO2, рости і розмножуватись за рахунок світлової енергії. При цьому вона у великих кількостях виробляє оцтову кислоту — прототип «корисного продукту», який подібні гібридні системи колись вироблятимуть для нас.

Фотосинтез, розмноження бактерій і виробництво оцту в системі Moorella thermoacetica — CdS благополучно тривають доти, поки в середовищі не закінчиться цистеїн. Після цього починається фотоокислювальна деградація: в клітинних оболонках утворюються дірки, і бактерії гинуть. Втім, приблизно така ж доля чекає і на звичайні бактерії Moorella thermoacetica, які не мають частинок сульфіду кадмію на своїй поверхні, коли вони опиняються на світлі. Ці анаеробні мікроорганізми взагалі-то не виносять світла. Частинки сульфіду кадмію не тільки постачають їх електронами, але й рятують їх оболонку від фотоокислення — до тих пір, поки в середовищі не вичерпаються запаси цистеїну.

Звичайно, будувати заводи з виробництва оцтової кислоти на основі комплексу Moorella thermoacetica — CdS поки рано. Створеній системі поки ще дуже далеко до рентабельності. Отриманий результат важливий як демонстрація принципової можливості створення штучних фотосинтезуючих систем, зручних для використання в хімічній промисловості, на основі нефотосинтезуючих бактерій. Перевагами таких систем є, по-перше, ефективне використання світла за допомогою напівпровідникових світловловлювачів, по-друге, можливість отримання великих кількостей корисної людині органіки у вигляді непотрібних самим клітинам побічних продуктів, а не у вигляді біомаси, з якої важко отримувати необхідні нам речовини. Автори вважають, що генно-інженерні модифікації дозволять істотно поліпшити такі системи. Швидше за все, не так вже й важко буде «навчити» бактерії виробляти замість оцту спирт або інше паливо, а замість цистеїну прилаштувати до системи як окислювальний субстрат щось менш цінне, наприклад органічні відходи.

Дослідження змушує задуматись також і про проблему походження фотосинтезу (хоча автори про це нічого не говорять). Звичайно, навряд чи ця подія в реальній еволюції життя на Землі була якось пов'язана з сульфідом кадмію. Але тут варто згадати, що, за однією з гіпотез, саме походження життя було пов'язане з абіогенним фотосинтезом на поверхні частинок сульфіду цинку. Можливо, найдавніші організми на якомусь етапі теж підгодовувались фотозбудженими електронами абіогенного походження, як бактерії в описаному експерименті? Крім того, робота американських хіміків наочно показала, що звичайна нефотосинтезуюча бактерія, потрапивши в певні умови, може просто взяти і перетворитись на фотосинтезуючу, адсорбувавши на своїй поверхні мінеральні «світловловлювачі».

X

Вхід

Завантажую...