Евгений Фролов: «Метаболизм ацетогенов — это конструктор»

Евгений Фролов (к.б.н., заведующий лабораторией метаболизма экстремофильных микроорганизмов ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН) выступил с лекцией «Ацетогенные микробы: ключ к решению насущных проблем».

Многообразие типов метаболизма

Человечество издавна активно применяет бактерий в разных сферах: для производства пищи (кисломолочные продукты, вино и т.д.), ферментов и лекарств, в сельском хозяйстве (компосты, удобрения, кормовые добавки), для очистки сточных вод, переработки сельскохозяйственных отходов и бытового мусора, для получения биотоплива. Такое широкое применение обусловлено разнообразием бактерий — в первую очередь метаболическим.

Под метаболизмом понимается совокупность химических реакций, которые в организме используются для поддержания жизни. Выделяют катаболизм, в ходе которого более сложные вещества распадаются на простые с целью получения энергии, и анаболизм, в ходе которого, наоборот, структура простых химических веществ усложняется с затратами энергии.

Для микроорганизмов характерны разные типы метаболизма, каждый из которых можно охарактеризовать по трём критериям. Во-первых, нужно определиться с источником энергии для клетки. Если организмы используют свет, то являются фототрофами, а если химические реакции — то хемотрофами. В клетке энергия может быть представлена в двух видах: в виде веществ с макроэргичекими связями, таких как АТФ, и электрохимического мембранного потенциала. При дыхании энергия в основном запасается в виде мембранного потенциала, который затем конвертируется в молекулы АТФ. При брожении, напротив, энергия в основном запасается в виде АТФ, а электрохимический потенциал образуется при его гидролизе. Фототрофы всегда используют фотодыхание, а хемотрофы способны и на дыхание (не только аэробное, но и анаэробное, где в качестве конечного акцептора электронов выступает не кислород, а сера, сульфаты, железо, нитраты и т.д.), и на брожение.

Ацетогенные микроорганизмы — это хемотрофы, использующие для получения энергии анаэробное дыхание. Эти микроорганизмы применяют в качестве акцептора электронов не кислород, а углекислый газ, который восстанавливается до уксусной кислоты — конечного продукта метаболизма. При этом некоторые другие микроорганизмы тоже способны вырабатывать уксусную кислоту, например, в ходе уксуснокислого брожения или при неполном дыхании, но при этом не являются ацетогенами.

Второй критерий разделения типов метаболизма — это то, что микроорганизмы используют в качестве донора электронов. Органотрофы используют органические вещества, литотрофы — неорганические. Ацетогенные микроорганизмы отличаются гибкостью в этом вопросе: могут быть как органотрофами, так и литотрофами.

В-третьих, в зависимости от того, используют ли микроорганизмы в качестве источника углерода органические соединения или неорганический углерод, выделяют гетеротрофов и автотрофов. Ацетогенные микроорганизмы также могут быть как гетеротрофами, так и автотрофами.

Ценные соединения «из воздуха»

Ацетогены изучаются уже около века, и в настоящее время известно более 100 видов таких микроорганизмов. На практике ацетогены используются для получения не уксусной кислоты, а биомассы и целого ряда органических соединений, в том числе этанола, бутанола, изопропанола, масляной кислоты, изопрена и т.д. Многие из этих веществ сейчас достаточно эффективно получают либо химически, либо с использованием других микроорганизмов: например, этанол лучше всего получать с помощью дрожжей из сахара. Поэтому, чтобы ацетогены получили практическое значение, им требуется некое преимущество.

Оказалось, что ацетогены могут получать органические вещества из синтез-газа — смеси водорода, угарного и углекислого газа. Синтез-газ можно получать из довольно дешевого сырья: угля, метана, выбросов металлургических заводов или даже из отходов.

Существует два основных подхода в практическом применении ацетогенов. Первый подход является двухстадийным. На начальном этапе в анаэробном биореакторе ацетогены превращают синтез-газ в ацетат. Далее полученный ацетат направляется во второй биореактор, где его поедают аэробные микроорганизмы. На выходе такой цепочки будут получаться биомасса и ценные с точки зрения биотехнологии соединения. Такая схема сейчас активно развивается в Китае. Второй подход заключается в применении ацетогенов, которые сами способны вырабатывать ценные соединения, потребляя при этом синтез-газ. Такие штаммы можно создать, например, с помощью генной инженерии.

Биоэтанол для биотоплива, одежды и парфюмерии

Флагманом в промышленном применении ацетогенов является компания LanzaTech, которая изначально была основана в Новой Зеландии, а сейчас вышла на мировой уровень. Эта компания использует выделенный ими штамм Clostridium autoethanogenum наряду с другими ацетогенами для преобразования выбросов крупных металлургических заводов в этанол, используемый прежде всего в качестве биотоплива. Интересно, что таким биотопливом LanzaTech планирует заправлять не только автомобили, но и самолёты, для чего недавно была создана дочерняя компания LanzaJet.

Этанол — это не только биотопливо, но и прекурсор других ценных соединений. Например, его можно преобразовать в этиленгликоль — предшественник ряда полимерных материалов, в том числе полиэстера. Поэтому у LanzaTech появились неожиданные партнёры — бренды одежды Zara и H&M. Начиная с 2020–2021 годов эти бренды стали выпускать капсульные коллекции одежды, сделанной из полиэстера, который получили путем переработки выбросов ацетогенами. Компания Unilever, которая в основном производит бытовую химию, тоже применяет биоэтанол, полученный LanzaTech, для производства капсул для стирки. Компания Coty — производитель косметических продуктов — использует биоэтанол для производства парфюмерии. Однако, конечно, в основном все сводится к маркетингу: биоэтанол, получаемый с помощью ацетогенов, довольно дорогой, и использовать только его в своем производстве полимерных материалов невыгодно. Поэтому в основном компании ограничиваются только лимитированными коллекциями. Для вывода данного направления использования этанола на окупаемость необходимо дальнейшее совершенствование технологических процессов.

Метаболический конструктор

С получением других полезных соединений с помощью ацетогенов возникли проблемы. Эти микроорганизмы живут на термодинамическом пределе жизни, т.е. они эволюционировали таким образом, чтобы научиться обходиться меньшим. Выживая в любых условиях, эти микроорганизмы стали получать минимально необходимый уровень энергии. Из-за этого, даже если они будут жить в очень хороших условиях, ацетогены все равно продолжат получать нужный им минимум энергии. Его недостаточно для получения сложных соединений.

В связи с этим перед учёными возникла задача: модифицировать метаболизм ацетогенов таким образом, чтобы они получали больше энергии. Метаболизм ацетогенов в упрощенной схеме состоит из трех модулей: окислительного, восстановительного и энергетического. Переносчиками электронов в этом метаболизме являются НАДН и ферредоксины, которые образуются в окислительном модуле. В восстановительном модуле НАДН расходуется полностью, а ферредоксин — только наполовину. Оставшаяся половина используется в энергетическом модуле для синтеза АТФ. Соответственно, микробиологи поставили перед собой задачу модифицировать восстановительный модуль метаболизма таким образом, чтобы он расходовал как можно больше НАДН и как можно меньше ферредоксина, и последний шел на получение энергии.

Первый способ воплощения этой идеи — это внедрение в бактериальную клетку такого белка, который мог бы окислять НАДН, а электроны с него бы переносились на другие соединения, например, на серу. Однако на практике такой подход нежелателен, потому что в таком случае помимо ацетата бактерии начнут выделять и другие вещества, такие как сероводород, которые будут загрязнять продукт.

Второй подход заключается в полной замене восстановительного модуля, например, на глициновый путь, в котором образуются промежуточные продукты — аминокислоты глицин и серин. Это открывает дорогу для получения аминокислот с помощью ацетогенов.

Таким образом, метаболизм ацетогенов похож на конструктор: ученые пробуют заменять модули и сравнивают, какая комбинация позволит вырабатывать больше всего энергии и полезных продуктов.

Напоследок Евгений Фролов немного рассказал о деятельности своей лаборатории. Работа лаборатории метаболизма экстремофильных микроорганизмов неразрывно связана с экспедициями к горячим источникам на Курильские острова, Камчатку и во многие другие регионы. Исследователи отбирают пробы осадков, получают чистые культуры новых ацетогенов, изучают их физиологию и с помощью генной инженерии получают новые штаммы-продуценты биотоплива и растворителей из синтез-газа.