Цианобактерии являются старейшей формой фотосинтетической жизни на Земле и важны практически в каждой среде обитания, от вечной мерзлоты до горячих источников. В связи с ростом интереса к цианобактериям для производства биотоплива и различным материалам, включая химикаты, а также к их роли в экологическом благополучии Земли исследователи прилагают усилия для создания отредактированных штаммов цианобактерий.
Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере и Национальной лаборатории Оук-Ридж, США, разработали новый способ выявления генетических изменений, которые помогают крошечным микробам модельного штамма Synechococcus sp. PCC 7002, производящим кислород, выживать в экстремальных условиях. Результаты исследования описывают новый экспериментальный подход к изучению того, как микробы и другие типы клеток, включая человеческие клетки, реагируют и адаптируются к стрессу окружающей среды.
Их исследование, опубликованное в Трудах Национальной академии наук, также поможет ученым разработать быстрорастущие синтетические штаммы микробов, которые можно будет использовать для разработки новых видов биотоплива, химикатов и материалов.
Многопрофильная группа инженеров и биохимиков использовала систему подавления генов под названием CRISPR-интерференция (CRISPRi), чтобы отключить активность каждого гена в геноме Synechococcus sp. PCC 7002, вида цианобактерий, обитающих в океане. Цианобактерии осуществляют фотосинтез, во многом как растения.
«Поскольку эти организмы вырабатывают большую долю кислорода на Земле, понимание того, как они реагируют на изменение климата, имеет решающее значение», - сказал Эндрю Хрен, аспирант Fox Group и первый автор статьи.
Команда исследовала, как цианобактерии реагируют на различные световые и температурные условия, встречающиеся на разных глубинах океана. Они обнаружили, что небольшие изменения в том, как включаются или выключаются определенные гены, могут помочь клеткам лучше адаптироваться к экстремальным условиям окружающей среды, таким как жара, холод или засуха.
«Наша работа показывает, как небольшие генетические изменения могут привести к значительному улучшению приспособленности, когда мы подталкиваем микробов к границе их зоны комфорта», - сказал Джером Фокс, доцент кафедры химической и биологической инженерии в Университете Колорадо в Боулдере и соавтор исследования совместно с Кэрри Экерт в ORNL, бывшим старшим научным сотрудником Института возобновляемых и устойчивых источников энергии (RASEI).
«Наши результаты также подчеркивают ценность использования CRISPRi для снижения активности генов, но не для их полного отключения, поскольку промежуточные корректировки, как правило, обеспечивают наибольшее преимущество в плане выживания в экстремальных условиях», - добавил он.
Фокс рассказал, что источником вдохновения для этой работы послужил покойный Джефф Кэмерон, доцент кафедры биохимии и научный сотрудник RASEI: «Энтузиазм Джеффа по поводу цианобактерий был заразителен. Он научил нас всему, что мы знаем, и стал важнейшим ресурсом в области экспериментального проектирования».
Исследователи планируют продолжить изучение цианобактерий, чтобы лучше понять, как микробы поглощают свет и преобразуют его в энергию для разработки новых технологий, таких как искусственные микробы, производящие возобновляемые химические вещества и другие полезные продукты.
Источник: University of Colorado at Boulder.
На фото - направляющая РНК-цепочка, выделенная фиолетовым цветом, направляет CRISPR к цепочке ДНК. Ученые разработали метод идентификации генов, которые можно подавить, чтобы настроить микробов для биотехнологических приложений. Авто фото: Мишель Леман/ORNL, Министерство энергетики США.