Симбиоз живого с неживым: ученые заставили дрожжи быть продуктивнее

«Скрестить» дрожжевые клетки с неорганическими «ловушками электронов», тем самым увеличив их продуктивность, удалось американским ученым. Соответствующая статья опубликована 17 ноября в научном журнале Science.

Ученые работали с дрожжевыми клетками штамма (то же, что сорт для растений и порода для животных — прим. ИА Красная Весна) ∆zwf1, в которых отключен соответствующий ген (Zwf1), кодирующий глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Этот фермент превращает глюкозо-6-фосфат (фосфорилированную глюкозу) в рибулозо-5-фосфат (фосфорилированную рибулозу). При этом один атом углерода теряется c молекулой углекислого газа (CO₂).

В штамме ∆zwf1, где это превращение невозможно, углерод не расходуется на образование CO₂. Это увеличивает «производительность» биохимических каскадов, которые приводят к синтезу дегидрохинноната — предшественника шикимовой кислоты.

Авторы статьи позаботились и о том, чтобы ускорить образование шикимовой кислоты из дегидрохинноната. Атомы водорода (H) и электроны для этой реакции «поставляет» восстановленная форма (НАДФH) никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ). Чтобы процесс не останавливался, НАДФH должен непрерывно обновляться, то есть заново восстанавливаться из НАДФ по реакции: НАДФ + H⁺ + 1 электрон = НАДФH.

Чтобы облегчить процесс такого обновления, ученые «подключили» к дрожжам внешний источник электронов. С этой целью они нанесли на поверхность дрожжевых клеток наночастицы (1 нанометр = 10^-9 метра) фосфида индия (InP) — полупроводникового материала, который поглощает свет в видимом диапазоне. Электроны, которые при этом высвобождаются, передаются во внутриклеточное пространство, где служат для регенерации НАДФH из НАДФ.

Светочувствительный источник электронов помог значительно ускорить превращение дегидрохинноната в шикимовую кислоту. Отношение шикимата к дегидрохиннонату — главный показатель, по которому оценивается биохимическая продуктивность дрожжевой клетки — составило на свету около 23, что в 35 раз больше, чем в темноте.

Отметим, что шикимовая кислота у дрожжей является предшественницей всех соединений, в структуре которых есть бензольные кольца. В их число входят три ключевых аминокислоты (фенилаланин, тирозин и триптофан), витамины, коферменты и множество других соединений, без которых не смогла бы выжить никакая клетка.

Отметим также, что шикиматный путь встречается не только у дрожжей и других грибов, но также у бактерий, простейших и растений. Единственное исключение — животные. Это позволяет уничтожать сорняки с помощью гербицидов, которые блокируют синтез шикимовой кислоты у растений, но не оказывают прямого токсического воздействия на нас и «братьев наших меньших».

Читайте также: Опасны ли гербициды? — сорняки убивать надо, но желательно не с людьми

К числу соединений, синтезируемых дрожжами по шикиматному пути, принадлежат многие лекарственные субстанции. Поэтому биотехнологи используют дрожжевые клетки как «микрофабрики» для производства этих ценных веществ. Чтобы повысить «рентабельность» этих «производств», ученые разрабатывают специальные штаммы с повышенной продуктивностью — такие, как все тот же ∆zwf1.

Работа американских ученых показывает, что «скрещивание» живых клеток с неорганическими источниками электронов выглядит еще перспективнее. Наработка целевых соединений в дрожжах становится в десятки раз интенсивнее только за счет ускоренного превращения дегидрохинноната в шикимовую кислоту. Однако в реальности эта цифра может быть еще больше, поскольку одновременно с этой в клетке облегчаются и все другие реакции восстановления, для которых НАДФH «поставляет» электроны.

Так, например, синтез бензилхинолиновых алкалоидов проходит не только через образование шикимовой кислоты из дегидрохинноната, но и еще через 10 стадий восстановления, на каждой из которых требуется НАДФH. Поскольку к этому классу относятся важнейшие медикаменты — в частности, папаверин и дротаверин (Но-Шпа®), — то внедрение предложенной технологии помогло бы существенно сэкономить на их производстве.