Нефотосинтезирующую бактерию можно обучить фотосинтезу, поместив ее в подходящую среду

Рис. 1. Схема гибридной фотосинтезирующей системы, созданной американскими биоинженерами

Рис. 1. Схема гибридной фотосинтезирующей системы, созданной американскими биоинженерами. Бактерии Moorella thermoacetica делятся и растут, осаждая на своей поверхности наночастицы сульфида кадмия (показаны желтым цветом). В результате бактерии «фотосенситизируются», то есть приобретают способность к фотосинтезу: производству органики (уксусной кислоты) из CO2 за счет энергии света. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Американские химики и биоинженеры создали «гибридную» фотосинтезирующую систему, в которой светособирающую функцию выполняют наночастицы сульфида кадмия, а живая нефотосинтезирующая бактерия Moorella thermoacetica забирает у них возбужденные светом электроны, которые она затем использует для восстановления CO2 и синтеза органики. Ожидается, что подобные биотехнические устройства, преобразующие энергию солнечного света в нужные человеку органические вещества, в дальнейшем превзойдут по эффективности и удобству использования обычные фотосинтезирующие организмы.

Научиться эффективно использовать солнечную энергию, в том числе для синтеза органики, — актуальнейшая задача, стоящая перед человечеством. Химики и биоинженеры прилагают немалые усилия для ее решения (см.: Созданы микробы, использующие электроэнергию для производства жидкого топлива, «Элементы», 02.04.2012).

Специалисты уверены, что естественный процесс фотосинтеза может быть улучшен или, по крайней мере, оптимизирован под наши нужды (см.: D. Gust et al., 2009. Solar Fuels via Artificial Photosynthesis). Некоторые этапы фотосинтеза уже сегодня эффективнее осуществляются искусственными неорганическими материалами, чем их органическими аналогами. Например, полупроводниковые светоуловители могут превосходить биологические светособирающие комплексы по эффективности производства фотовозбужденных электронов. Однако последующее использование таких электронов для восстановления CO2 при помощи абиогенных катализаторов — задача крайне трудная. Живые клетки справляются с этим лучше. К тому же они сами себя ремонтируют, да еще и размножаться умеют.

Поэтому большие надежды возлагаются на создание «гибридных» фотосинтезирующих систем, состоящих из неорганических и органических компонентов. Такие системы, по идее, могли бы собрать воедино лучшие достижения технического прогресса и биологической эволюции. Некоторые успехи на этом пути уже достигнуты (см.: J. P. Torella et al., 2015. Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial–water-splitting catalyst system).

Химики из Калифорнийского университета в Беркли (США) сообщили в первом выпуске журнала Science за 2016 год о создании удивительной гибридной фотосинтезирующей системы, состоящей из нефотосинтезирующей бактерии и неорганических наночастиц — светоуловителей, которые бактерия сама осаждает на своей поверхности из раствора.

Биологическим компонентом гибридной системы является бактерия Moorella thermoacetica. Этот микроб был выбран по нескольким причинам. Во-первых, у него очень пластичный метаболизм. Он может расти и как гетеротроф, питаясь готовой органикой (например, глюкозой), и как хемоавтотроф, самостоятельно производя органику из углекислого газа, причем энергию и электроны, необходимые для фиксации CO2, он может получать путем окисления широкого круга разных органических и неорганических субстратов (см.: H. L. Drake, S. L. Daniel, 2004. Physiology of the thermophilic acetogen Moorella thermoacetica). Эту бактерию можно даже «кормить» электронами прямо с электрода, и она будет их поглощать, использовать для восстановления CO2 и за счет этого расти и размножаться. Микробов, обладающих такой способностью, называют «электротрофами» (см.: D. R. Lovley, 2010. Powering microbes with electricity: direct electron transfer from electrodes to microbes).

Moorella thermoacetica использует для фиксации CO2 не цикл Кальвина, как все растения и многие автотрофные микроорганизмы, а другой, возможно более древний и примитивный, биохимический путь — так называемый восстановительный путь ацетил-кофермента А, или путь Вуда–Юнгдаля (см. Wood–Ljungdahl pathway). Особенностью этого пути является производство большого количества органики (а именно уксусной кислоты) в качестве побочного продукта, который клеткой далее не используется и просто выводится наружу. Примерно 90% зафиксированного бактерией CO2 превращается в ненужный ей уксус, а не в биомассу (из которой технически сложно извлекать полезные для нас компоненты). С точки зрения самой бактерии это, может быть, и расточительно, зато с точки зрения разработки биотехнических устройств, производящих органику для использования человеком, — очень удобно. Предполагается, что генная инженерия в будущем позволит модифицировать бактерию, чтобы она производила не только уксус, но и какие-то другие нужные человеку органические вещества.

Электротрофность делает бактерию Moorella thermoacetica превосходным кандидатом на роль биологического компонента гибридных фотосинтезирующих систем. По идее, для этого ее нужно только присоединить к полупроводниковому светоуловителю — например, к кусочку сульфида кадмия, который будет поставлять бактерии возбужденные светом электроны, а она будет их поглощать и использовать для восстановления CO2.

Остается придумать, как их соединить и заставить взаимодействовать, то есть как создать эффективный бактериально-полупроводниковый интерфейс.

Решение, найденное авторами, поражает своей простотой и изяществом. Они воспользовались способностью бактерий к биоминерализации (см. Biomineralization) — формированию частиц различных минералов, в том числе внутри собственных клеток или на их поверхности (см.: Бактерии Delftia acidovorans выделяют вещество, способствующее биоминерализации золота, «Элементы», 14.02.2013). В частности, известно, что производимые бактериями пептиды, содержащие аминокислоту цистеин, способствуют формированию частиц сфалерита (сульфида цинка), см.: Месторождения цинка возникли благодаря бактериям («Элементы», 19.06.2007).

Оказалось, что если в культуру бактерий Moorella thermoacetica добавить кадмий в виде нитрата (Cd(NO3)2) и цистеин, то на поверхности бактериальных клеток сами собой осаждаются наночастицы сульфида кадмия CdS (рис. 1, 2):

\[ \text{Cd}^{2+}+\text{Cys}\xrightarrow{M.~thermoacetica} \text{CdS} + \text{NH}_3+\text{pyruvic}~\text{acid} +2\text{H}^+\]

Такая бактерия, облепленная полупроводниковыми светоуловителями, как по мановению волшебной палочки превращается в фотосинтезирующий организм! Она приобретает способность фиксировать CO2, расти и размножаться за счет световой энергии. При этом она в больших количествах производит уксусную кислоту — прототип «полезного продукта», который подобные гибридные системы будут когда-нибудь производить для нас.

Рис. 2. Бактерия Moorella thermoacetica, покрытая наночастицами сульфида цинка

Рис. 2. Бактерия Moorella thermoacetica, покрытая наночастицами сульфида цинка (слева, длина масштабного отрезка 500 нм). Справа, для сравнения, — обычная бактерия без наночастиц (длина масштабного отрезка 1 мкм). Фото из обсуждаемой статьи в Science и дополнительных материалов к ней

Принципиальная схема работы фотосинтезирующего комплекса Moorella thermoacetica — CdS показана на рис. 3. Роль фотосистемы (см. Photosystem) настоящих фотосинтезирующих организмов, со всеми ее хлорофиллами и премудрыми белковыми комплексами, здесь как-то очень непринужденно выполняют крошечные кусочки полупроводника — наночастицы сульфида кадмия. Они поглощают фотоны, энергия которых передается электронам, что приводит к формированию пар e и h+ (электрон и «дырка»). Электроны идут на производство «восстановительного эквивалента» ([H] на рис. 3). Его точная природа в данном случае не установлена, на рис. 3 справа показаны возможные варианты. Он затем используется для восстановления углекислого газа и синтеза органики (в том числе «полезного продукта» — уксуса) в пути Вуда–Юнгдаля.

Рис. 3. Схема работы фотосинтезирующей системы Moorella thermoacetica — CdS

Рис. 3. Схема работы фотосинтезирующей системы Moorella thermoacetica — CdS. Слева — общая схема, справа — предполагаемые пути переноса электронов от полупроводниковой наночастицы внутрь клетки. Условные обозначения левого рисунка: Reduction — восстановление, Oxidation — окисление, Bioprecipitation — биоосаждение сульфида кадмия, Cys — цистеин, CySS — цистин, [H] — восстановительный эквивалент, в роли которого может выступать молекулярный водород H2 или, например, NADH или NADPH, h+ — «дырка», acetyl-CoA — ацетил-кофермент А, Wood–Ljungdahl Pathway — путь Вуда–Юнгдаля, biomass — биомасса. Обозначения правого рисунка: AD — возможные пути переноса электронов в клетку: A — на поверхности полупроводника образуется молекулярный водород, который затем диффундирует в клетку; B — электрон передается локализованному в клеточной оболочке ферменту гидрогеназе (H2ase); C — электрон передается локализованным в клеточной мембране цитохромам (Cyt); D — электрон передается растворимому веществу-посреднику (Med). Semiconductor/Metal/Electrode — полупроводник/металл/электрод, Peptidoglycan — пептидогликан, основной компонент клеточной стенки бактерии; Periplasmic space — периплазматическое пространство; Inner membrane — клеточная мембрана. Рисунки из обсуждаемой статьи в Science и дополнительных материалов к ней.

Залечивание «дырок» в полупроводниковой наночастице происходит за счет окисления цистеина, который в результате превращается в цистин (CySS). Общее уравнение реакции выглядит так:

\[ 2\text{CO}_{2}+8\text{Cys} +8h\nu \xrightarrow{M.~thermoacetica~/~CdS} \text{CH}_3\text{COOH} + 2\text{H}_2\text{O}+4\text{CySS} \]

Как и при естественном аноксигенном (бескислородном) фотосинтезе, процесс зависит от невозобновляемого донора электронов. У природных аноксигенных фотосинтетиков, таких как зеленые и пурпурные бактерии, в этой роли чаще всего выступает сероводород H2S (другие варианты: S, H2, Fe2+), а в системе Moorella thermoacetica — CdS эту функцию выполняет цистеин. В качестве побочного продукта в первом случае образуется сера или сульфаты (или вода, или Fe3+), во втором — цистин. Напомним, что в случае оксигенного (идущего с выделением кислорода) фотосинтеза, характерного для цианобактерий и их потомков — пластид растений, донором электрона служит обычная вода — практически неисчерпаемый ресурс, а побочным продуктом является молекулярный кислород.

Фотосинтез, размножение бактерий и производство уксуса в системе Moorella thermoacetica — CdS благополучно продолжаются до тех пор, пока в среде не закончится цистеин. После этого начинается фотоокислительная деградация: в клеточных оболочках образуются дырки, и бактерии погибают. Впрочем, примерно такая же судьба ожидает и обычных бактерий Moorella thermoacetica, не имеющих частиц сульфида кадмия на своей поверхности, когда они оказываются на свету. Эти анаэробные микроорганизмы вообще-то не выносят света. Частицы сульфида кадмия не только снабжают их электронами, но и спасают их оболочку от фотоокисления — до тех пор, пока в среде не исчерпаются запасы цистеина.

Рис. 4. Фотоокислительная деградация клеточных оболочек после исчерпания запасов цистеина в среде

Рис. 4. Фотоокислительная деградация клеточных оболочек после исчерпания запасов цистеина в среде. Видны дыры в оболочке клеток, некоторые клетки полностью разрушены. Длина масштабных отрезков 1 мкм. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Конечно, строить заводы по производству уксусной кислоты на основе комплекса Moorella thermoacetica — CdS пока рано. Созданной системе пока еще очень далеко до рентабельности. Полученный результат важен как демонстрация принципиальной возможности создания искусственных фотосинтезирующих систем, удобных для использования в химической промышленности, на основе нефотосинтезирующих бактерий. Преимуществами таких систем являются, во-первых, эффективное использование света при помощи полупроводниковых светоуловителей, во-вторых, возможность получения больших количеств полезной человеку органики в виде ненужных самим клеткам побочных продуктов, а не в виде биомассы, из которой трудно получать необходимые нам вещества. Авторы считают, что генно-инженерные модификации позволят существенно улучшить подобные системы. Скорее всего, не так уж трудно будет «научить» бактерии производить вместо уксуса спирт или другое топливо, а вместо цистеина пристроить к системе в качестве окисляемого субстрата что-то менее ценное, например органические отходы.

Исследование заставляет задуматься также и о проблеме происхождения фотосинтеза (хотя авторы об этом ничего не говорят). Конечно, вряд ли это событие в реальной эволюции жизни на Земле было как-то связано с сульфидом кадмия. Но здесь стоит упомянуть, что, согласно одной из гипотез, само происхождение жизни было связано с абиогенным фотосинтезом на поверхности частиц сульфида цинка (см.: Armen Y. Mulkidjanian, 2009. On the origin of life in the Zinc world: 1. Photosynthesizing, porous edifices built of hydrothermally precipitated zinc sulfide as cradles of life on Earth). Может быть, древнейшие организмы на каком-то этапе тоже подкармливались фотовозбужденными электронами абиогенного происхождения, как бактерии в описанном эксперименте? Кроме того, работа американских химиков наглядно показала, что обычная нефотосинтезирующая бактерия, попав в определенные условия (в данном случае — в среду, содержащую нитрат кадмия и цистеин), может просто взять и превратиться в фотосинтезирующую, адсорбировав на своей поверхности минеральные «светоуловители».

Источник: Kelsey K. Sakimoto, Andrew Barnabas Wong, and Peidong Yang. Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production // Science. 2016. V. 351. P. 74–77.

См. также:
Созданы микробы, использующие электроэнергию для производства жидкого топлива, «Элементы», 02.04.2012.

Александр Марков


21
Показать комментарии (21)
Свернуть комментарии (21)

  • grihanm  | 07.01.2016 | 06:19 Ответить
    Прекрасная новость, спасибо!

    Рискну предположить, что возможно вместо генинженерии стоит попытаться модифицировать бактерии в нужную сторону посредством эволюции - изменчивость + отбор. :) Не потому что генинженерия - это плохо, а потому что эволюция надежней и возможно дешевле.
    Ответить
    • Олег Чечулин > grihanm | 07.01.2016 | 12:00 Ответить
      ...но дольше.
      Ответить
      • aa > Олег Чечулин | 07.01.2016 | 17:10 Ответить
        Похоже, это не отбор, так как код ДНК не меняется, а просто вставляются наночастицы. В частности, наночастицы можно получать, например, серебра, совсем не используя органической химии. Но разные химические реакции, при которых выделенные атомы серебра из химического соединения при нагревании соединяется друг с другом прочнее - образуя наночастицы серебра (до этого атомы серебра были химически связаны с другими молекулами). Фактически, мы прямо вставляем "протезы" в творения самого Бога, дела которого никто повторить не может - как бы не прикрывал "эволюцией" чудные дела Бога Всевышнего.
        Ответить
        • PavelS > aa | 07.01.2016 | 19:36 Ответить
          Про всевышних давайте поменьше бредятины. В научных спорах 99% доводов со стороны религиозных деятелей - откровенный бред и незнание науки. В частности, что "никто повторить не может". Живую клетку уже собрали из синтезированных компонент, вроде так.
          Ответить
          • aa > PavelS | 08.01.2016 | 00:17 Ответить
            Заблуждаетесь. Нанотехнологии у нас еще на очень низком уровне. Видимо, когда человек сможет "собрать" реально живую клетку, имея только в распоряжении все необходимые, заранее синтезированные молекулы, которых, допустим, взято в избытке и - НИКАКИХ ТАМ СЛУЧАЙНО ПОТЕРЯВШИХСЯ БАКТЕРИЙ, и используя только техническое влияние - тот же ультразвук для производства мембран ... Тот реальный уровень техники который сейчас, наверно будет казаться тогда "первобытным". А сейчас некоторые термины как "синтетическая биология" или "искусственная клетка" - все это незаслуженно носит свое название. Наверно, для обывателя было бы точнее говорить - "почти природная биология" или "почти природная клетка". Я не биолог, но под термином "синтетическая биология" я понимал нечто другое, до тех пор, пока не ознакомился, что это такое.
            Ответить
  • PavelS  | 07.01.2016 | 08:59 Ответить
    Почему бактерии не могут производить цистеин сами для себя? Реально ли их этому научить?
    Ответить
    • Олег Чечулин > PavelS | 07.01.2016 | 11:59 Ответить
      Тогда им понадобится какой-нибудь другой ресурс.
      Ответить
      • tetrapack > Олег Чечулин | 07.01.2016 | 12:50 Ответить
        Да, все-таки, немного слукавили, написав:
        "Специалисты уверены, что естественный процесс фотосинтеза может быть улучшен или, по крайней мере, оптимизирован под наши нужды. Некоторые этапы фотосинтеза уже сегодня эффективнее осуществляются искусственными неорганическими материалами, чем их органическими аналогами."
        Наиболее эффективно электроны фотовозбуждаются высокоэнергетическим излучением (от фиолетового до ультрафиолета и дальше). Однако толку в этой эффективности никакого. Вот, другое дело, сложить энергию нескольких фотонов (по отдельности недостаточную) и развалить молекулу воды! Вот это круто! Вот как умеет природа! Именно поэтому совершенно верно отмечено, что:
        "в случае оксигенного (идущего с выделением кислорода) фотосинтеза, характерного для цианобактерий и их потомков — пластид растений, донором электрона служит обычная вода — практически неисчерпаемый ресурс, а побочным продуктом является молекулярный кислород"

        Поэтому я бы пока постеснялся "упрекать" фотосинтез в неэффективности. Оптимизация под наши нужды, сопровождающаяся частичным снижением эффективности - вот это другое дело.
        Ответить
        • PavelS > tetrapack | 07.01.2016 | 19:39 Ответить
          У фотосинтеза чудовищно низкий КПД. Так что построить солнечную электростанцию (там где котельная с паром), далее электролиз - это даст КПД в десятки процентов, если нам надо производить кислород.
          Ответить
      • PavelS > Олег Чечулин | 07.01.2016 | 19:40 Ответить
        Что значит другой ресурс? Пусть синтезируют из неорганики.
        Ответить
        • Олег Чечулин > PavelS | 07.01.2016 | 20:21 Ответить
          Неорганика неисчерпаема?
          Ответить
          • PavelS > Олег Чечулин | 07.01.2016 | 22:37 Ответить
            Неорганика - это почти вся масса планеты. Да, считай что неисчерпаема. Цистеин имеет в своём составе то, что можно получить из воды (кислород, водород), из воздуха (углерод из углекислоты, азот) и серу. С серой всё чутка сложнее, но вроде как её дефицита не наблюдается.

            Также после деградации органики она не исчезает начисто, а переходит в неорганику, т.е. может повторно использоваться. Т.е. вопрос в том, чтобы клетки научились сами залечивать свои оболочки.
            Ответить
            • Олег Чечулин > PavelS | 09.01.2016 | 16:48 Ответить
              Если считать в масштабах планеты, то и цистеина надолго хватит. Но проблема в том, что:
              1. Объём 'установки' замкнут, т.е., притока вещества извне нет.
              2. Синтезированную органику из этого объёма изымают, т.е., деградировать до неорганики нечему.
              Поэтому какие бы ресурсы не использовались, они всё равно рано или поздно кончатся.
              Ответить
  • SysAdam  | 07.01.2016 | 11:38 Ответить
    Я сперва прочитал "нефтесинтезирующую бактерию можно обучить фотосинтезу".
    Думаю - "Вот это прорыв года!" Цены на нефть совсем в ноль уйдут.
    Но нет, к счастью померещилось.
    Ответить
  • myugor  | 07.01.2016 | 20:15 Ответить
    Восстановление двуокиси углерода до ацетата за счёт фотоокисления цистеина - это, конечно, фотосинтез, но какой-то слишком уж неэффективный.
    Ответить
    • niki > myugor | 07.01.2016 | 22:26 Ответить
      Вот, вот. Работа очень интересная. А явно нереалистичные обещания ее портят.
      Ответить
  • нoвый учacтник  | 08.01.2016 | 11:28 Ответить
    это что же получается - бактерия может использовать орудие труда?
    Ответить
    • JEX > нoвый учacтник | 08.01.2016 | 15:39 Ответить
      Ага, получается бактерии научились использовать человеческий разум ;)
      Ответить
      • abblackhole > JEX | 08.01.2016 | 19:29 Ответить
        Бери выше. Много сотен миллионов лет назад часть бактерий решили пожертвовать своим естеством и эволюционировали во всяких там митохондрий, эукариот, многоклеточных ----> человека дабы тот их размножал в пиве, генноинженерил и т.п. А дальше - больше: мы будем вынуждены изобрести межзвездные корабли и ... угадайте кого мы привезем с собой на иные планеты. Правильно - их самых.
        Ответить
        • Олег Чечулин > abblackhole | 09.01.2016 | 16:53 Ответить
          Вряд ли именно они это решили :-)
          Всего лишь, так вышло...
          Ответить
  • dasem  | 09.01.2016 | 18:05 Ответить
    В довольно древней книжке С.Э. Шноля "Физико-химические факторы биологической эволюции" приведен вполне реалистичный механизм гипотетического "фотосинтеза" на оксиде железа с использованием ультрафиолета.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»