Бактерий приучили питаться углекислым газом

В природе существует два способа питания (получения органических веществ), в соответствии с которыми живые организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов.

Первые способны синтезировать органические вещества из неорганических. Например, растения производят органику из углекислого газа и воды. Гетеротрофы, к которым относятся животные, грибы и большинство бактерий, не обладают такой способностью. Им приходится потреблять готовые органические вещества, произведённые другими организмами.

Организм может придерживаться либо одной, либо другой стратегии питания.

Однако в лаборатории Института имени Вейцмана в Израиле произошло нечто удивительное: впервые живой организм перешёл с одного типа питания на другой.

"Наши сотрудники были первыми, кто попытался изменить рацион нормального гетеротрофа, чтобы превратить его в автотрофа, – рассказывает ведущий автор исследования Рон Майло (Ron Milo). – Сначала это казалось невозможным, но мы многому научились и в итоге показали, что это действительно реально".

Работая с кишечной палочкой, исследователи создали новую "породу" бактерий, которые отказались от привычной пищи и начали поедать углекислый газ из окружающей среды.

Для начала команда отредактировала геном бактерий. Их снабдили генами, которые обычно используют растения для выделения углерода из углекислого газа (CO₂), а также геном, который позволяет получать энергию из вещества, называемого формиатом.

Осторожно манипулируя условиями окружающей среды, команда заставила кишечную палочку развиваться в определённом направлении.

Бактериям давали столько сахара, чтобы они не умерли с голоду, но у них также был доступ к большому количеству СО₂ и формиата.

Самые прожорливые бактерии вскоре стали использовать углекислый газ в качестве источника пищи.

По мере размножения E. сoli исследователи постепенно сокращали количество сахара в рационе новых поколений. В итоге примерно через 200 дней некоторые бактерии полностью перешли на автотрофное питание. А через 300 дней эти микроорганизмы росли в лабораторных условиях намного быстрее, чем "консерваторы", которые жили впроголодь на одном сахаре.

Чтобы удостовериться, что E. сoli не нашли другой источник питательных веществ, некоторым из них скормили углекислый газ, содержащий тяжёлый изотоп углерод-13. Затем бактерий взвесили и сравнили полученный показатель с массой, которая должна была получиться в том случае, если микроорганизмы питались только CO₂ (с учётом содержания в нём тяжелого углерода). Результаты точно совпали.

Правда, стоит отметить один нюанс. В ходе экспериментов бактерии содержались в среде с концентрацией углекислого газа, которые примерно в 250 раз превышают таковую в атмосфере Земли. Новые автотрофные штаммы не могут существовать без сахара в обычных условиях.

По сравнению с нормальной кишечной палочкой, популяция которой может удваиваться каждые 20 минут, автотрофные бактерии делятся намного медленнее – каждые 18 часов, если уровень СО₂ составляет 10%. (Для сравнения: уровень углекислого газа в атмосфере Земли сегодня оценивается в 415,28 ppm, или 0,041%.)

Однако Майло и его команда намерены продолжить эксперименты и получить кишечную палочку, которая сможет расти быстрее и выживать при более низких уровнях CO₂.

Авторы надеются, что в конечном итоге их достижение, подробно описанное в журнале Cell, принесёт пользу в разных сферах.

Бактерий, питающихся углекислым газом, можно будет выращивать для производства важных веществ и препаратов (антибиотиков, синтетических версий инсулина и гормона роста), а также графена и топлива.

Кстати, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о ГМ-бактериях, которые помогут искать взрывчатку и лечить рак.