Модифицированные дрожжи вырабатывают стеролы для кормления пчел

Ученые из Великобритании и Дании получили штамм дрожжевых грибков, который продуцирует стеролы пыльцы, необходимые пчелам и не содержащиеся в коммерческих кормах.

Медоносные пчелы (Apis mellifera) играют важную роль в сельскохозяйственных системах. Однако интенсификация сельского хозяйства и изменение климата снижают обилие и разнообразие цветочной пыльцы, ключевого источника питательных веществ для пчел. В ней содержится множество микронутриентов, в том числе стеролы — тетрациклические тритерпеноиды, важные компоненты клеточных мембран и сигнальных гормонов. Стеролы, включая холестерин, не синтезируются в организме пчел, они получают эти соединения только из пыльцы. Дефицит стеролов угнетает рост личинок рабочих пчел и новых маток (стеролы составляют 0,5% от сырого веса маточного молочка), и их численность снижается. А потеря опылителей, в свою очередь, снижает урожайность сельхозкультур.

Стеролы сложно синтезировать химическим путем или найти богатые ими природные источники, поэтому их себестоимость слишком высока для производителей пчелиных кормов. Коммерчески доступные заменители пыльцы не содержат всех необходимых стеролов, что ограничивает их пищевую ценность. Проблему могут решить биотехнологические подходы.

Авторы исследования выбрали в качестве продуцента дрожжи Yarrowia lipolytica, которые часто встречаются на богатых жирами субстратах. Они способны накапливать липиды в больших количествах и производят молекулы-предшественники стеролов. Ранее были получены штаммы Y. lipolytica для производства терпеноидов.

Штамм, выбранный в качестве платформы, был получен из»дикого» изолята W29. Он экспрессировал CRISPR-ассоциированный белок Cas9, что облегчало редактирование генома, а также продуцировал почти в три раза больше эргостерола, чем предшественник дикого типа.

Чтобы определить, какие именно соединения необходимы, исследователи получили профиль стеролов расплода пчелы и выбрали шесть стеролов, которые также содержались в пыльце. Путь синтеза эргостерола авторы ремоделировали для синтеза стеролов, необходимых пчелам. Чтобы сконструировать необходимые метаболические пути, в клетки Y. lipolytica внедряли гены наземных растений, водорослей, животных, грибов и бактерий. Итоговый штамм экспрессировал ферменты картофеля, киноа и томата и производил пять из шести необходимых стероидов (шестой присутствовал в следовых количествах).

Модифицированный штамм культивировали в биореакторах параллельно с двумя контрольными штаммами дрожжей, не продуцирующими целевых стеролов. Затем провели испытания по кормлению пчел в контролируемой «полуполевой» среде. Для создания полноценного корма дрожжевую биомассу, обогащенную или не обогащенную стеролами, смешивали с базовым пчелиным рационом, содержащим белки, жиры и сахара, и добавляли коммерчески доступную смесь фитостеролов, богатую шестым стеролом. Наблюдение за колониями пчел, получавшими каждый из четырех рационов, продолжалось три месяца. Каждые 15 дней авторы оценивали количество яиц, личинок и куколок в колониях.

Содержание ключевых стеролов в рационе улучшило производство и развитие расплода по сравнению с рационами, дефицитными по необходимым стеролам. К концу испытаний (ближе к осени) колонии, получавшие корм с дрожжевыми стеролами, продолжали выращивать расплод, тогда как колонии с дефицитом стеролов прекратили. На полноценном рационе, содержащем менее 0,5% стероидов, пчелы вырастили в 10–15 раз больше куколок.

Рабочие пчелы собирают и поедают пыльцу, она также хранится в улье в виде перги. Личинок пчелы кормят маточным молочком — секретом глоточных и верхнечелюстных желез; будущие матки получают молочко все время, будущие рабочие пчелы и трутни только первые три дня. Внизу — сравнение обогащенного стеролами рациона (MxSt), с тремя контрольными по действию на количество печатного расплода (куколок в запечатанных сотах). Credit: Nature (2025). DOI:  10.1038/s41586-025-09431-y  | CC BY 4.0

Credit: Oxford Bee Lab. Caroline Wood |  Пресс-релиз

Добавление в коммерческие корма необходимых стеролов поможет пчелам справиться с такими серьезными стрессорами, как пестициды, паразиты и засуха, предполагают авторы. Однако необходимы многолетние полевые испытания, чтобы проверить, как влияет обогащенный стеролами рацион на процветание колонии в течение длительного времени. Кроме того, пока неясно, какие из многочисленных стеролов пыльцы необходимы и достаточны для долгосрочного выживания насекомых.

Дальнейшая генная инженерия могла бы увеличить содержание стеролов в клетках дрожжей или способствовать производству других важных микронутриентов, таких как антиоксиданты. Штамм можно адаптировать, чтобы обогащать специализированные корма для других коммерчески выращиваемых членистоногих, таких как шмели, опыляющие теплицы, или водные ракообразные в аквакультуре. Морские беспозвоночные, как и большинство насекомых, в ходе эволюции утратили способность синтезировать эндогенные стероиды.

Патогенные вирусы медоносной пчелы не смогли адаптироваться к диким шмелям