В параллельной вселенной микробиологического мира есть современные виды-суперзвезды сине-зеленых водорослей, которые благодаря своим способностям фотосинтеза и фиксации или поглощения углекислого газа могут производить (считайте их) этанол, водород, бутанол, изобутанол и потенциально биодизель. Это какой-то игрок с пятью инструментами.В бейсболе вы называете этого игрока Уилли Мэйсом или Майком Траутом. В микробиологии это Synechocystis 6803, универсальная специализированная бактерия, известная как цианобактерия.
Он превращает растения в пикеров, когда дело доходит до улавливания и хранения энергии фотосинтеза, и естественным образом превращает двуокись углерода (CO2) парникового газа в полезные химические вещества, которые могут помочь как приручить глобальное потепление, так и поддержать энергоснабжение.Кроме того, генетически модифицированный Synechocystis 6803 также может использоваться для производства товарных химикатов и фармацевтических препаратов.Конечно, это в основном в лабораториях, в литровом масштабе.
Из-за своей универсальности и потенциала этот микроскопический организм является одним из наиболее изученных в своем роде с момента его открытия в 1968 году. Но так же, как и в бейсболе, где «нельзя пропустить» перспективные планы с пятью инструментами подписываются ежегодно с большими ожиданиями и Synechocystis 6803 еще не выполнил своих обещаний.Фучжун Чжан, доктор философии, доцент кафедры энергетики, окружающей среды химическая инженерия в Вашингтонском университете в Сент-Луисе работает с Synechocystis 6803, а также с другими микробами и системами в областях синтетической биологии, белковой инженерии и метаболической инженерии, уделяя особое внимание синтетическим системам контроля, позволяющим организмам достигать его неиспользованное мастерство.Чжан говорит, что мир биотехнологий должен преодолеть несколько проблем, чтобы внедрить искусственно созданные микробы.
Чжан будет в их гуще.«Моя цель — создать микробы и превратить их в микрофабрики, производящие полезные химические вещества», — говорит Чжан. «Synechocystis особенно интересен, потому что он может использовать CO2 в качестве единственного источника углерода.
Разработка этой бактерии могла бы превратить фиксированный CO2 в метаболиты, которые можно было бы в дальнейшем преобразовать в топливо и другие химические вещества с помощью разработанных биосинтетических путей».Традиционное химическое производство требует высокого давления и температуры и буквально тонны химических растворителей, но микробиологический подход очень экологичен: как только искусственно созданные цианобактерии начинают расти, все, что им нужно, — это вода, основные соли и CO2.
В академическом «отчете о разведке» Synechocystis, опубликованном в журнале Marine Drugs за август 2013 г., Чжан и его коллеги резюмируют недавние исследования и приходят к выводу, что необходимо увеличить скорость производства и разработать новые генетические инструменты, чтобы контролировать биохимию внутри Synechocystis, чтобы химическая продуктивность будут усовершенствованы, чтобы сделать эту технологию экономически жизнеспособной.Текущие отраслевые спецификации для потенциально масштабируемого химического производства составляют примерно 100 граммов на литр топлива или химикатов. В настоящее время лабораторная продукция обычно составляет менее 1 грамма на литр, а эффективность очень низкая.Чжан говорит, что исследовательскому сообществу нужны более совершенные инструменты для контроля экспрессии генов.
Например, необходимы промоторы — небольшие участки ДНК перед интересующими генами, которые помогают контролировать экспрессию генов — с предсказуемой силой. Им также нужны более совершенные клеточные биосенсоры, которые могут определять ключевые метаболиты и контролировать производство жизненно важных белков, которые создают желаемые химические вещества.
И им нужно спроектировать циркадные ритмы организмов (день / ночь), чтобы когда-нибудь произвести организмы, которые работают круглосуточно, производя топливо или химические вещества. Natural Synechocystis 6803, например, выполняет задачу йомена по выработке и хранению молекул энергии в течение дня посредством фотосинтеза, но ночью он использует другой набор метаболизма для потребления накопленной энергии.
Необходимо изменить естественный циркадный ритм, чтобы биотопливо производилось 24 часа в сутки.Исследования Чжана включают разработку инструментов экспрессии генов, новых химических путей биосинтеза и инструментов контроля циркадных ритмов для цианобактерий.«Я уверен, что через два-три года у нас появятся более мощные инструменты для разработки уровней и времени экспрессии генов, которые ускорят процесс более точно и эффективно», — говорит он.Кроме того, его группа работала над разработкой динамических систем управления микробами, которые функционируют как счетчики и клапаны на традиционном химическом производстве — счетчики рассчитывают давление и поток, а клапаны управляют ими.
«Это биологическая версия модели клапана и расходомера для управления потоком метаболитов, которые делают производство топлива и химикатов более эффективным», — говорит он.