Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН проанализировали существующие подходы к редактированию геномов метанотрофных бактерий, которые позволяют придать этим микроорганизмам новые полезные свойства. Это даст возможность более широко использовать метанотрофов в агротехнологиях, например, в качестве кормов для аквакультуры или сельскохозяйственных животных. Результаты исследования, проведенного в рамках национального проекта «Наука и университеты», опубликованы в журнале «Микробиология».
Метанотрофные бактерии — это микроорганизмы, которые используют метан в качестве субстрата для их роста. Они обитают в самых разных экосистемах, где одновременно доступны метан и кислород: от почв и болот до осадочных отложений на дне рек и морей. Эти бактерии играют ключевую роль в глобальном цикле углерода, уменьшая выбросы метана — одного из основных парниковых газов — в атмосферу. Кроме того, метанотрофы имеют большой биотехнологический потенциал, однако сегодня он используется лишь частично. Самая очевидная область применения метанотрофов — в производстве белка из метана или природного газа – была реализована в промышленных масштабах еще полвека назад. Достоинства микробного белка как компонента кормов для аквакультуры и животноводства не вызывают сомнений, однако для трансформации этого производства в современную технологию нужны метанотрофы-продуценты с улучшенными свойствами, такими как быстрый рост и высокое содержание белка в биомассе.
Помимо кормового белка, с помощью метанотрофных бактерий можно получать и другие биологические соединения: каротиноиды, полигидроксибутират, полисахариды и осмопротекторы. Из-за дешевизны исходного сырья (метана) метанотрофы стали одним из ключевых объектов работ последних лет по метаболической инженерии. Цель этих работ – использовать метанотрофов как биологические фабрики для конверсии метана в различные метаболиты — органические кислоты, спирты и проч. Чтобы реализовать подобные замыслы, необходимо своеобразное «усовершенствование» бактерий путем редактирования их геномов. Ученые вынуждены прибегать к генной модификации, поскольку в первозданном виде метанотрофные бактерии продуцируют подобные метаболиты лишь в очень небольших количествах.
Ученые из ФИЦ Биотехнологии РАН вместе с коллегами из Пущинского научного центра биологических исследований РАН подготовили обзор ряда методов, которые используются при редактировании геномов метанотрофов. Интересно, что высоко востребованная ныне система генетического редактирования CRISPR/Cas9 пока не демонстрирует выдающихся результатов в применении к метанотрофным бактериям. Хотя этот подход пытались задействовать различные исследователи, к настоящему времени опубликовано лишь единственное сообщение о его успешном применении для редактирования генома метанотрофа, причем эффективность модификации была очень низкой. Наиболее эффективным способом редактирования геномов метанотрофов остается метод трансформации. Часто используемым подходом является трансформация на основе конъюгации. Конъюгация – это перенос части генетического материала, например, плазмиды, при непосредственном контакте двух бактериальных клеток – клетки метанотрофа и конъюгативного штамма E. coli S-17-1.
Схема редактирования геномов метанотрофов с помощью трансформации на основе конъюгации
Благодаря такой трансформации, например, был получен штамм метанотрофа с удаленными генами синтеза гликогена, чтобы избежать накопления в клетках этого запасного соединения и перенаправить поток углерода на синтез белка. В обзоре, подготовленном учеными, приведен и ряд других примеров успешных работ по созданию биотехнологически-ценных штаммов метанотрофных бактерий.