В новой биологии

Клетки всех живых организмов питаются одним и тем же химическим топливом: аденозинтрифосфатом (АТФ). Теперь исследователи нашли способ генерировать АТФ непосредственно из электричества, что может ускорить биотехнологические процессы, позволяющие выращивать все: от продуктов питания до топлива и фармацевтических препаратов.

Сопряжение современных электронных технологий с биологией чрезвычайно сложно. Одним из основных камней преткновения является то, что способы их питания сильно различаются. Хотя большинство наших гаджетов работают на электронах, природа полагается на энергию, выделяющуюся при разрыве химических связей АТФ. Поиск способов конвертации этих двух очень разных валют энергии может быть полезен для множества биотехнологий.

Генетически модифицированные микробы уже используются для производства различных ценных химикатов и терапевтически полезных белков, и есть надежда, что вскоре они смогут помочь в производстве более экологичного реактивного топлива, расщеплении пластиковых отходов и даже выращивании новых продуктов питания в гигантских биореакторах. Но на данный момент эти процессы основаны на неэффективном процессе выращивания биомассы, преобразования ее в сахар и скармливания микробам.

Теперь исследователи из Института наземной микробиологии Макса Планка в Германии разработали гораздо более прямой способ управления биологическими процессами. Они создали искусственный метаболический путь, который может напрямую преобразовывать электричество в АТФ с помощью коктейля ферментов. И что особенно важно, этот процесс работает in vitro и не зависит от собственного механизма клеток.

«Подача электричества непосредственно в химические и биохимические реакции — это настоящий прорыв», — заявил в пресс-релизе Тобиас Эрб, возглавлявший исследование. «Это позволит синтезировать богатые энергией ценные ресурсы, такие как крахмал, биотопливо или белки, из простых строительных блоков клеток, а в будущем даже из углекислого газа. Возможно, даже удастся использовать биологические молекулы для хранения электрической энергии».

В природе АТФ и ее родственная молекула аденозиндифосфат (АДФ) можно рассматривать как почти что батарейки. АТФ похожа на заряженную батарею, хранящую энергию в своих химических связях. Если клетке необходимо потратить эту энергию, она отрывает одну из трех фосфатных групп молекулы, и энергия, связанная с этой химической связью, может затем привести в действие какой-либо клеточный процесс.

Этот процесс превращает молекулу АТФ в АДФ, которую можно рассматривать как разряженную батарею. Чтобы перезарядить его, клетке необходимо использовать энергию пищи или фотосинтеза, чтобы добавить фосфатную группу обратно к молекуле АДФ, превращая ее обратно в АТФ.

Но этот процесс перезарядки основан на сложной последовательности реакций с участием различных белковых комплексов, встроенных в клеточную мембрану. Реинжиниринг этой системы для работы вне клетки является сложной задачей, поскольку требует тщательной ориентации различных белков в искусственной мембране, что делает ее привередливой и хрупкой.

Новый подход, изложенный в статье Джоуля, гораздо проще. Названный «циклом ААА», он включает в себя взаимодействие всего четырех ферментов в растворе. Ключевым ингредиентом, который сделал все это возможным, стало открытие фермента под названием альдегид-ферредоксин-оксидоредуктаза (АОР) в недавно открытой бактерии под названием Aromaticum Aromatoleum, которая способна расщеплять нефть.

Этот фермент способен забирать электроны с электрода и связывать их энергию в альдегидную связь, которая добавляется к химическому веществу-предшественнику, называемому пропионатом. Затем этот процесс передается через еще три фермента, которые воздействуют на химическое вещество и в конечном итоге используют накопленную в нем энергию для преобразования АДФ в АТФ. В конце выскакивает молекула пропионата, которую затем можно снова ввести в цикл.

«Простой цикл ААА — это умный и элегантный подход… он намного проще, чем то, как биология естественным образом производит АТФ», — сказал журналу Science Дрю Энди, синтетический биолог из Стэнфордского университета. Он добавил, что это может стать ключевым фактором, делающим возможным «электробиосинтез» — идею использования электричества для прямого синтеза полезных химических веществ клетками.