Как клетки генерируют и используют энергию? Этот вопрос может показаться простым, но ответ далеко не прост. Кроме того, знание закономерностей потребления микробными клеточными фабриками энергии и распределение белков в этом процессе крайне важно при работе с промышленными ферментациями.
Как передает сайт Phys.org, недавно группа ученых показала, что можно оптимизировать условия ферментации, вызвав изменение метаболизма от ферментации к дыханию у кишечной палочки и пекарских дрожжей. Это означает, что клетки могут быть вынуждены производить больше внутренней энергии (АТФ).
«Данная информация может быть использована для проектирования новых, усовершенствованных клеточных фабрик»
Говорит профессор-корреспондент Технологического университета Чалмерса, Швеция, и научный директор в Центре биологической устойчивости Novo Nordisk Foundation при DTU в Дании, Йенс Нильсен.
Вместе с первым автором, доктором философии Ю Ченом из отдела биологии и биологической инженерии в Чалмерсе, Йенс Нильсен изучил метаболизм кишечной палочки и пекарских дрожжей с помощью математических моделей и биологических экспериментов.
Клетки постоянно генерируют высокоэнергетические молекулы, называемые АТФ, из сахарной глюкозы. АТФ является клеточной «пищей», потребляемой рабочими – ферментами – внутри клеток. Ферменты используют эту энергию для создания биомассы или для другой клеточной работы. Чем больше АТФ, тем эффективнее функционируют микробные рабочие лошадки.
По результатам экспериментальной работы исследователи обнаружили, что АТФ может генерироваться любым из двух путей: высокоурожайный дыхательный путь, с продуктивностью 23,5 АТФ на молекулу глюкозы, или низкоурожайный ферментативный путь, который генерирует только 11 АТФ на молекулу глюкозы.
Эти два пути дополняют друг друга и чередуются, но ученые смогли изменить естественный баланс между ними, а именно – условия ферментации, количество сахара и белка. Кроме того, они показали, что для высокоурожайного пути требуется больше белковой массы, при этом потребление глюкозы имеет ту же скоростью.
Ученые также установили, что повышение эффективности некоторых ключевых ферментов означало, что клетки перешли от низкоурожайного ферментативного метаболизма к дыханию через высокоурожайный метаболизм.
Этот сдвиг приводит к увеличению внутриклеточной АТФ, но также позволяет избежать накопления ферментативных побочных продуктов: ацетата в кишечной палочке и этанола в пекарских дрожжах.
«Данные побочные продукты являются нежелательными и снижают выход искомых молекул, которые вы хотите производить на своей клеточной фабрике», – говорит Йенс Нильсен.
Кроме того, исследователи показали, что клетки, действующие наилучшим образом, фактически использовали оба пути, а не только высокоурожайный, и что больше доступных белков означало большую эффективность в данном процессе.
Таким образом, решение проблемы более эффективных клеток при ферментации заключается не в том, чтобы отключить ферментативный путь, а в том, чтобы выделить больше белка для высокоурожайного пути.
Чтобы вызвать эти изменения, исследователи подвергали микробов воздействию различных условий ферментации исключительно в рамках природных условий, не используя методы генной инженерии. Но в то же время их эксперименты показали, как можно «подкорректировать» метаболизм клеток с помощью генной инженерии, чтобы стать более эффективными в будущих экспериментах.
Подробно с материалом исследования можно ознакомится в трудах Национальной академии наук (PNAS).
