Сообщества дрожжей синтезируют соединения лучше, чем штаммы поодиночке

Синтрофизм — это облигатный симбиоз, при котором один из видов выживает за счет продуцируемых другим видом веществ. Часто в такие отношения вступают ауксотрофы, которые зависят от других организмов, синтезирующих те питательные вещества, которые они не могут вырабатывать сами. К числу таких веществ могут относиться аминокислоты, азотистые основания или другие важные для жизнедеятельности метаболиты. Синтрофизм исключает конкуренцию между соседствующими видами, при этом регулируя их рост пассивно, через доступность питательных веществ.

Авторы публикации в Nature Microbiology разработали математическую модель, которая позволяет определить ключевые факторы, влияющие на различные параметры синтрофических сообществ. Так, у сообществ, состоящих из двух видов микроорганизмов, конечная численность популяции сильнее всего зависела от обмена метаболитами между видами, но на нее почти не влияли исходная численность популяции и внесение метаболитов извне. Время периодического культивирования сообществ оказалось чувствительно к накоплению глюкозы и к обмену метаболитами между видами, а финальный состав сообщества — не только к обмену метаболитами, но и к изначальному соотношению между видами. Так ученые выявили параметры, на которые можно воздействовать при разработке синтрофических сообществ.

Для создания сообществ дрожжей Saccharomyces cerevisiae ученые получили 15 штаммов, ауксотрофных по аминокислотам или азотистым основаниям, и 15 штаммов-доноров, которые, напротив, могли вырабатывать аминокислоты или азотистые основания в повышенном количестве. Доноры должны были обеспечивать ауксотрофов необходимыми соединениями. Затем ученые исследовали параметры роста 60 ко-культур из двух штаммов, 5 ко-культур из трех штаммов с односторонними связями и 4 ко-культур из трех штаммов с двухсторонними связями. В результате штаммы росли лучше, если находились в синтрофических отношениях, чем если росли поодиночке.

Также исследователи показали, что на параметры роста синтрофических сообществ и их состав можно влиять разными методами. Так, можно менять изначальное соотношение между видами, входящими в сообщества, и исходную плотность клеток — оптическую плотность суспензии дрожжей. Кроме того, на скорость обмена метаболитами между видами можно влиять, изменяя промоторы генов, кодирующих продукты у штаммов-доноров, а также добавляя метаболиты извне.

Наконец, ученые продемонстрировали, что с помощью синтрофических сообществ можно повысить эффективность биосинтеза различных важных соединений. В качестве примера они разработали ко-культуры из двух штаммов в синтрофических отношениях, между которыми разделили реакции биосинтеза ресвератрола. Это полифенольный антиоксидант, который изучается для применения в пищевой и косметической промышленностях, а также в медицине. Такое «разделение труда» действительно позволило повысить эффективность выработки дрожжами ресвератрола, что доказывает перспективность разработки синтрофических сообществ продуцентов.

Получены дрожжи с наполовину синтетическим геномом