Передовые методы синтетической биологии и метаболической инженерии открывают путь для производства микроводорослей как на местном, так и на глобальном уровне, заявляют исследователи и выделяют 3 три основных модельных вида микроводорослей: Chlamydomonas reinhardtii, Nannochloropsis spp. и Phaeodactylum tricornutum, которые в настоящее время являются наиболее продвинутыми с точки зрения разработки инструментов, эффективности трансформации и функциональной валидации. Эти виды представляют собой зеленые водоросли (хлорофиты), эустигматофиты и диатомеи соответственно и предлагают уникальный физиологический и генетический контекст для метаболической инженерии.
Микроводоросли превосходно поглощают углекислый газ и преобразуют его в ценные соединения, такие как липиды (масла) и терпеноиды (органические химические вещества). Их можно использовать для создания чего угодно, от возобновляемого авиационного топлива до жизненно важных лекарств.
Например, полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), терпены и стеролы являются важными, ценными соединениями, имеющими решающее значение для здоровья человека. ПНЖК играют важную роль в развитии человека, поддержании здоровья и профилактике заболеваний, особенно омега-3 и омега-6 жирные кислоты.
Терпены широко используются в фармацевтической, пищевой, парфюмерной и биотопливной промышленности, в то время как стеролы обладают такими полезными для здоровья свойствами, как противовоспалительное, холестериноснижающее и противораковое действие.
Однако нынешние темпы производства ПНЖК, терпенов и стеролов часто слишком низки для коммерческой целесообразности. Например, производство омега-3 ПНЖК по-прежнему в значительной степени зависит от рыбьего жира, который дорожает, а наземные источники стеролов конкурируют с продовольственными культурами за пахотные земли, что вызывает опасения по поводу долгосрочной устойчивости.
Микроводоросли давно признаны перспективными и устойчивыми источниками ценных соединений благодаря быстрому росту, высокой эффективности фотосинтеза и замечательной способности синтезировать разнообразные вторичные метаболиты.
Для полного использования этого потенциала и решения таких проблем, как низкая естественная урожайность и высокие производственные затраты, метаболическая инженерия стала преобразующим подходом. Исследования последних двух десятилетий действительно показали, что модуляция ключевых генов, оптимизация поставок прекурсоров и перенаправление потока углерода оказались эффективными в повышении накопления специфических целевых соединений в микроводорослях.
«Микроводоросли обладают огромным потенциалом, поскольку они не конкурируют с сельскохозяйственными культурами за землю или пресную воду. Наше исследование сосредоточено на том, как мы можем «перепрограммировать» эти организмы для более эффективного производства этих ценных материалов», — сказал Чжи-Янь (Рок) Ду, доцент кафедры молекулярной биологии и биоинженерии (MBBE) Центра исследований и разработок в области здравоохранения и науки, ведущий автор исследования.
С момента внедрения подхода «Проектирование-Создание-Тестирование-Обучение» (DBTL) в молекулярную инженерию микроводорослей прошло почти десять лет,и очевидно, что он значительно ускорил рациональную разработку генно-модифицированных штаммов микроводорослей. Этот итеративный подход интегрирует вычислительное проектирование, генетические инструменты, количественное тестирование и обучение на основе моделей для оптимизации конкретных метаболических путей.
Так, команда Гавайского университета, в которую входили аспиранты под руководством Тая Шитанаки (соруководитель проекта вместе с профессором кафедры медицины, биотехнологии и биотехнологии Самиром Кумаром Ханалом), изучила, как новые генетические инструменты, такие как CRISPR/Cas9, могут оптимизировать «метаболические супермагистрали» внутри водорослей.
Изменяя внутренний химический состав клеток, исследователи сумели заставить водоросли накапливать более высокие концентрации масла и определенных полезных для здоровья соединений, не замедляя при этом их рост, что было распространенной проблемой в более ранних попытках биоинженерии.
Для Гавайев круглогодичное солнечное освещение и доступ к побережью создают идеальные условия для выращивания водорослей.
«Наша работа поможет Гавайям создать более устойчивую, энергонезависимую экономику, — сказал Ханал. —Интегрировав производство микроводорослей с очисткой сточных вод или переработкой сельскохозяйственных отходов, мы можем создать систему, которая будет одновременно экологически чистой и экономически жизнеспособной».
Ученые акцентировали внимание на важности «синтетической биологии, которая позволяет создавать биологические компоненты, не существующие в природе, что еще больше расширяет границы возможностей микроводорослей».
Источник: University of Hawaii at Manoa.
