Многократный искусственный мутагенез известной азотфиксирующей бактерии Bradyrhizobium diazoefficiens с помощью гамма-излучения ускоряет приобретение устойчивости к высоким температурам в производственных биореакторах и на полях.
Термостойкие микробные биоудобрения могли бы помочь сельскохозяйственным культурам справиться с повышением температуры, но их разработка продвигается медленно и неопределенно. Новое исследование, проведенное в японском Национальном институте квантовой науки и технологий (QST), показывает, что сочетание экспериментальной эволюции с контролируемым гамма-излучением может ускорить создание термостойких азотфиксирующих бактерий, сократить сроки разработки и открыть практические пути к более надежным, адаптированным к климату микробным продуктам для сельского хозяйства, пищевой промышленности, фармацевтики и производства биотоплива.
Результаты исследования опубликованы в журнале Mutation Research—Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis.
Исследовательская группа сосредоточилась на Bradyrhizobium diazoefficiens USDA110, высокоэффективной бактерии, используемой для помощи сое и другим бобовым в усвоении азота. В то время как дикий тип лучше всего растет при температуре около 32–34 °C и останавливается при ~36 °C, исследователи QST постепенно повышали температуру культивирования с 34 °C до 37 °C в течение 76–83 дней и облучали популяции десять раз определенными дозами, а затем отбирали линии, которые продолжали формировать устойчивые колонии при 36 °C.
Выявилась четкая «оптимальная доза»: при дозе около 40 Гр было получено наибольшее количество стабильных, термостойких линий, тогда как более высокие дозы (80–120 Гр) первоначально давали более толерантные линии, но с меньшими колониями и признаками, которые исчезали при ослаблении отбора, что соответствует избытку вредных мутаций. На практике этот метод позволяет исследователям регулировать мутационную нагрузку таким образом, чтобы отдавать предпочтение полезным изменениям, сохраняя при этом общую приспособленность.
Геномный анализ лучших образцов выявил изменения в двух ключевых генах в независимо эволюционировавших линиях: гене 16S рРНК, играющем центральную роль в механизме синтеза белка, и гене rpoC, кодирующем β-субъединицу РНК-полимеразы. Конвергентные мутации в таких важных системах указывают на механизмы, которые помогают бактериальной транскрипции и трансляции бесперебойно продолжаться в условиях теплового стресса — именно те процессы, которые необходимы промышленности при высоких температурах.
«Благодаря сочетанию адаптивной лабораторной эволюции с точно повторяющимися дозами гамма-излучения мы сократили путь к созданию устойчивых к высоким температурам бактерий с месяцев или лет до нескольких недель. Это практический инструмент для повышения надежности биоудобрений в условиях высоких температур на полях и в биореакторах», — сказал доктор Йошихиро Хасе, руководитель проекта в Институте передовых квантовых наук Такасаки (TIAQ), QST.
«Этот контролируемый мутагенез позволяет избежать трансгенных модификаций и может быть настроен для максимизации полезных изменений при одновременном ограничении генетической нагрузки. Мы видим путь, который промышленность может безопасно использовать для повышения устойчивости и производительности», — добавил доктор Кацуя Сато, старший ведущий научный сотрудник TIAQ.
Этот подход можно распространить не только на сельское хозяйство, но и на дрожжи, бактерии и микроводоросли, используемые в пищевой промышленности, производстве лекарственных препаратов и биотоплива, что поможет создавать высококачественную продукцию с меньшими экологическими издержками. В долгосрочной перспективе ученые QST ожидают появления сверхдешевых методов выращивания микроводорослей и других термостойких платформ, которые будут способствовать обеспечению продовольственной и энергетической безопасности.
Источник: National Institutes for Quantum Science and Technology.
На графике: термоустойчивые мутантные линии ризобий, полученные методом экспериментальной эволюции в сочетании с многократным мутагенезом с помощью гамма-лучей. Автор: д-р Йошихиро Хасе из Национального института квантовой науки и технологий, Япония.