Цианобактерии, группа фотосинтетических бактерий, способных преобразовывать солнечный свет и углекислый газ в органические соединения, активно изучаются в качестве потенциального источника для производства биотоплива. Они способны производить различные типы биотоплива, такие как этанол, водород и биодизель. С развитием технологических инструментов исследователи могут генетически манипулировать этими бактериями для увеличения производства желаемых молекул, таких как липиды или спирт. После того, как цианобактерии модифицированы для производства желаемых молекул, их можно выращивать в крупномасштабных биореакторах и собирать для дальнейшей обработки.
Ископаемое топливо, несмотря на то, что является преобладающим источником энергии, связано со значительными вредными последствиями для окружающей среды. Это подстегнуло поиск устойчивых и экономически жизнеспособных энергетических альтернатив, причем биотопливо становится многообещающим вариантом.
Текущие исследования в области биотоплива в первую очередь сосредоточены на производстве биодизеля из растительного масла. Хотя несколько видов показали положительные результаты в качестве биотоплива, использование съедобного растительного сырья вызвало споры из-за потенциальной конкуренции с продовольственным снабжением.
В качестве альтернативы предлагается использование некоторых организмов, таких как дрожжи, микроводоросли и цианобактерии, которые показали значительный потенциал для устойчивого производства биотоплива.
Для производства биотоплива из цианобактерий крайне важно выявить эффективные штаммы и разработать стратегии культивирования, которые оптимизируют рост клеточной биомассы и накопление углеводов и липидов. Цианобактерии обычно производят липиды, составляющие около 30 % их биомассы, при этом состав жирных кислот варьируется в зависимости от вида и экологических стрессоров, которым они подвергаются.
Оптимизация продуктивности липидов включает в себя увеличение плотности клеток, изменение условий, таких как температура, питательные вещества и свет, а также использование генной инженерии. Эти стратегии не только влияют на продуктивность цианобактерий, но и на профиль жирных кислот производимых липидов с помощью ферментов, таких как десатураза жирных кислот, которая играет решающую роль в десатурации углеродной цепи жирных кислот, влияя на качество биодизеля.
Для оптимизации производства углеводов в цианобактериях для производства биотоплива, такого как этанол, изобутанол и пропандиол, используются методы генетического редактирования, такие как нокаут гена, вставка и сверхэкспрессия.
Ученые из Национальной лаборатории Оук-Ридж, ORNL, и Университета Колорадо в Боулдере использовали инструмент подавления генов и большую библиотеку молекулярных гидов, чтобы понять, как фотосинтетические бактерии адаптируются к изменениям света и температуры. Они обнаружили, что даже частичное подавление определенных генов дало большие преимущества в изменении реакции на стресс у диких микробов.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Эта мощная технология обеспечивает более быстрый и комплексный способ воздействия на микробные свойства в целях биотехнологии, обеспечивая более глубокое понимание функций генов , чем традиционное редактирование генома, и ускоряя нашу способность улучшать микробы для производства топлива, химикатов и материалов», - заявила Кэрри Экерт из ORNL.
Ученые применили 10 сигнальных молекул, называемых направляющими РНК, к каждому гену в геноме цианобактерий вместо пяти или менее молекул, которые обычно используются; в общей сложности около 33 000 направляющих РНК. Используя инструмент под названием интерференция CRISPR, они определили гены, подавление которых привело к улучшению роста в сложных условиях. Исследователи применяют эту технику для оптимизации ранее идентифицированных микробов, используемых для производства биотоплива и биопродуктов.
Источник: Oak Ridge National Laboratory. Автор: Стефани Сей.
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. Автор: Мишель Леман/ORNL, Министерство энергетики США.