Однажды утром биолог Лия Бушин проверила колбу с бактериями и заметила нечто необычное: жидкость стала темно-бордовой. Микробы произвели ксантомматин, естественный пигмент, который до тех пор было чрезвычайно трудно получить искусственно.

Ксантомматин помогает осьминогам и кальмарам сливаться с окружающей средой благодаря своей способности менять цвет и поглощать свет. Он считался полезным для таких применений, как камуфляж, электроника и косметика, но его производство в больших количествах было постоянной проблемой. До сих пор.

В новом исследовании, опубликованном в Природа Биотехнологии , группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Института океанографии Скриппса и Центра биоустойчивости Фонда Ново Нордиск в Дании нашла способ производить пигмент в больших масштабах, создавая бактерии для его производства и ставя их выживание в зависимость от него.

«Этот натуральный пигмент — это то, что дает осьминогу или кальмару способность маскироваться — фантастическая суперспособность — и наше достижение в продвижении производства этого материала — это только верхушка айсберга», — сказал старший автор Брэдли Мур, морской химик из Скриппса и Фармацевтической школы Скаггса Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Цветовой трюк

Ксантомматин входит в группу пигментов, известных как оммохромы, которые содержатся в глазах и коже головоногих моллюсков и насекомых. Он окрашивает тела стрекоз в красный цвет, бабочек-монархов в оранжевый закатный цвет, а кальмаров в оттенки, которые помогают им исчезнуть.

Некоторые ученые хотели бы использовать этот диковинный пигмент в определенных практических целях, но проблема заключается в его дефиците. Сбор его у животных неэффективен и не поддается масштабированию. Синтетические версии стоят дорого и дают мало урожая. Традиционными методами получали всего несколько миллиграммов на литр. Этого едва хватает для тестирования, не говоря уже о коммерциализации.

«Нам нужен был совершенно новый подход к решению этой проблемы», — сказала Лия Бушин, ведущий автор исследования, а теперь преподаватель в Стэнфорде. «По сути, мы придумали способ обмануть бактерии, чтобы они производили больше материала, который нам был нужен».

Эврика!

Решение команды основано на умном трюке синтетической биологии, называемом «биосинтез, связанный с ростом». Большинство биопроизводственных усилий пытаются уговорить микробов сделать продукт в качестве подработки. Но бактерии часто сопротивляются, направляя свои ресурсы на выживание.

Это исследование перевернуло стимул. Ученые сконструировали штамм Pseudomonas putida Он мог бы выжить только в том случае, если бы он производил ксантомматин, или, точнее, если бы он также производил побочный продукт под названием муравьиная кислота. Этот формиат, молекула одного углерода, подпитывает критические метаболические циклы. Нет формообразования, нет роста.

«Мы сделали так, что деятельность по этому пути, по созданию соединения, представляющего интерес, абсолютно необходима для жизни», — сказал Бушин. «Если организм не вырабатывает ксантомматин, он не будет расти».

Используя гены, заимствованные у других бактерий, команда построила синтетический метаболический путь для преобразования триптофана (аминокислоты) в ксантомматин. В процессе этого сконструированные клетки выделяли муравьиную кислоту. Это создавало петлю обратной связи: чтобы расти, клетки должны были вырабатывать пигмент.

И это сработало эффектно.

В оптимизированных штаммах выработка ксантомматина взлетела до 1-3 граммов на литр. Это примерно в 1000 раз больше, чем при более ранних подходах.

«Это был один из моих лучших дней в лаборатории», — вспоминает Бушин. «Когда я пришел на следующее утро и понял, что это работает и он производит много пигмента, я был в восторге».

Почему это важно

Ксантомматин, как и меланин, обладает светопоглощающими и окислительно-восстановительными свойствами. Он может менять цвет в зависимости от степени окисления, что делает его ценным для умных материалов, таких как меняющие цвет ткани, отзывчивая косметика и носимые датчики. Его способность поглощать ультрафиолетовое излучение также делает его кандидатом на использование натуральных солнцезащитных кремов.

И Министерство обороны США внимательно следит за этим. Камуфляж, который адаптируется как кожа кальмара, может произвести революцию в технологии стелс.

«Этот проект дает возможность заглянуть в будущее, где биология обеспечивает устойчивое производство ценных соединений и материалов благодаря передовой автоматизации, интеграции данных и вычислительному проектированию», — сказал Адам Фейст, соавтор и биоинженер из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

По мнению Мура, исследование указывает на более широкий сдвиг в том, как мы производим вещи.

«Когда мы смотрим в будущее, люди захотят переосмыслить то, как мы производим материалы, чтобы поддержать наш синтетический образ жизни 8 миллиардов человек на Земле», — сказал он. «Мы открыли новый многообещающий путь для разработки материалов, вдохновленных природой, которые лучше для людей и планеты».

Новая глава в биопроизводстве

Этот прорыв также является моделью того, как создавать другие редкие или сложные молекулы. Многие природные соединения, от антибиотиков до ароматизаторов, все еще слишком сложны или дороги для массового производства. Биосинтез, связанный с ростом, предлагает интересный шаблон для подражания.

Секрет заключается в том, чтобы переосмыслить то, что значит для клетки «хотеть» что-то производить. Связывая производство молекулы с выживанием организма, ученые могут превратить сопротивляющиеся «фабрики» в нетерпеливые.

И то, что начиналось как стремление имитировать меняющую цвет кожу кальмара, может в один прекрасный день помочь переписать будущее устойчивой химии. Может быть.

«Наш инновационный технологический подход вызвал огромный скачок в производственных мощностях», — сказал Мур. «Этот новый метод решает проблему поставок и теперь может сделать этот биоматериал гораздо более доступным».