Ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали новый способ получения больших количеств ксантомматина — природного пигмента, который помогает осьминогам, кальмарам и другим головоногим моллюскам быстро менять цвет кожи для маскировки. Это достижение может помочь исследователям лучше понять, как эти животные меняют окраску, а также упростить получение пигмента для научных исследований и будущих применений.
Результаты, опубликованные 3 ноября в журнале Nature Biotechnology, были получены под руководством ученых из Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего. Работа поддержана Национальными институтами здравоохранения, Управлением военно-морских исследований, Швейцарским национальным научным фондом и фондом Novo Nordisk.
Ксантомматин — это природный пигмент, содержащийся в головоногих моллюсках, где он помогает им быстро менять цвет кожи, изменяя то, как свет поглощается и отражается. Он также встречается у насекомых, придавая бабочкам-монархам их оранжевые и желтые крылья, а также участвуя в красной окраске стрекоз и глаз мух.
Ученые уже много лет интересуются ксантомматином из-за его уникальных свойств изменения цвета. Однако его изучение было затруднительным, поскольку его трудно получать в больших количествах. Сбор пигмента из животных непрактичен, а традиционные лабораторные методы дают лишь небольшие объемы и требуют много времени и усилий. Существующие методы получения сложных природных соединений из бактерий также обычно начинаются с очень низкой продуктивности, что означает, что исследователям приходится тратить годы на улучшение процесса.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа обратилась к Pseudomonas putida — безвредной почвенной бактерии, которая часто используется в биотехнологии, поскольку ее можно модифицировать для производства полезных химических веществ. Вместо простого добавления генов, необходимых для выработки ксантомматина, ученые перепроектировали бактерии так, чтобы они могли расти только в том случае, если производят этот пигмент.
Метод, названный “биосинтез, сцепленный с ростом”, связывает выживание бактерий непосредственно с производством ксантомматина. По мере того как бактерии производят пигмент, они также выделяют муравьиную кислоту — простое химическое вещество, необходимое модифицированным клеткам для роста. Это создает самоподдерживающийся цикл, в котором бактерии продолжают производить пигмент, потому что их выживание зависит от этого.
“Мы разработали новую технику, которая впервые позволила нам ускорить возможности получения материала, в данном случае ксантомматина, в бактериях”, — сказал Брэдли Мур, ведущий автор исследования и морской химик, работающий в Институте океанографии Скриппса и Школе фармации и фармацевтических наук имени Скаггса при Калифорнийском университете в Сан-Диего. “Этот природный пигмент наделяет осьминога или кальмара способностью к маскировке — фантастической сверхспособностью — и наше достижение в продвижении производства этого материала — лишь вершина айсберга.”
Исследователи отметили, что этот подход отличается от многих существующих методов модификации бактерий, которые часто создают слишком большую нагрузку на клетки, заставляя их производить соединения, которые они не вырабатывают естественным образом. Из-за этого продуктивность обычно очень низкая, и исследователям приходится проходить через множество раундов тестирования и генетических изменений, прежде чем процесс станет полезным.
“Нам был нужен совершенно новый подход для решения этой проблемы”, — сказала Лиа Бушин, ведущий автор исследования, которая проводила исследования в качестве постдокторанта в Институте океанографии Скриппса, а сейчас является преподавателем Стэнфордского университета. “По сути, мы придумали способ обмануть бактерии, заставив их производить больше материала, который нам был нужен.”
Бушин добавила: “Мы сделали так, что активность этого пути, производящего интересующее нас соединение, стала абсолютно необходимой для жизни. Если организм не производит ксантомматин, он не будет расти.”
После создания системы исследователи дополнительно улучшили ее с помощью адаптивной лабораторной эволюции — процесса, в ходе которого бактерии выращиваются на протяжении многих поколений, чтобы наиболее эффективные клетки естественным образом становились более распространенными. Они также использовали автоматизированные лабораторные системы и компьютерный анализ для выявления генетических изменений, которые повысили продукцию пигмента и позволили бактериям производить ксантомматин непосредственно из глюкозы — распространенного сахара, используемого в качестве источника пищи для микробов.
Новый метод увеличил производство с примерно пяти миллиграммов пигмента на литр при использовании традиционных методов до одного-трех граммов на литр. Это в 1000 раз больше, чем предыдущие методы.
“Этот проект дает представление о будущем, в котором биология обеспечит устойчивое производство ценных соединений и материалов с помощью передовой автоматизации, интеграции данных и вычислений”, — сказал Адам Фейст, соавтор исследования и профессор кафедры биоинженерии имени Шу Цзянь-Гэна и Джина Лея в Инженерной школе имени Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. “Здесь мы показываем, как можно ускорить инновации в биопроизводстве, объединяя инженеров, биологов и химиков, использующих одни из самых передовых методов создания штаммов для разработки и оптимизации нового продукта за относительно короткое время.”
Исследователи полагают, что тот же подход, основанный на сцеплении с ростом, может быть использован и для производства других сложных природных соединений, которые в настоящее время трудно получать из бактерий. В случае успеха это может обеспечить более простой и эффективный способ производства природных материалов, одновременно снижая зависимость от производства на основе ископаемого топлива.
Бушин вспоминает, как впервые увидела результаты во время экспериментов. “Это был один из лучших моих дней в лаборатории”, — сказала она. “Я поставила эксперимент и оставила его на ночь. Когда я пришла на следующее утро и поняла, что это сработало и производится много пигмента, я была в восторге. Такие моменты — вот почему я занимаюсь наукой.”
По словам исследователей, коллабораторы уже изучают возможные применения ксантомматина в таких продуктах, как натуральные солнцезащитные средства, термопокрытия, красители, экологические датчики и материалы с меняющими цвет свойствами. Мур сказал, что метод производства может также изменить то, как ученые создают бактерии для производства других ценных биологических соединений.
“Мы действительно нарушили привычный образ мышления о том, как создавать клетки”, — сказал Мур. “Наш инновационный технологический подход вызвал огромный скачок в производственных возможностях. Этот новый метод решает проблему поставок и может теперь сделать этот биоматериал гораздо более доступным.”
TL;DR
-
Ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали новый способ получения ксантомматина — природного пигмента, который позволяет осьминогам, кальмарам и другим головоногим моллюскам быстро менять цвет кожи для маскировки — удивительной способности, которую часто называют биологической “сверхспособностью”.
-
Вместо простого введения необходимых генов исследователи модифицировали бактерии Pseudomonas putida так, чтобы они могли выживать только в том случае, если производят ксантомматин, используя новый подход биосинтеза, сцепленного с ростом, который напрямую связывает производство пигмента с ростом бактерий.
-
Дополнительно оптимизировав бактерии с помощью адаптивной лабораторной эволюции, автоматизации и компьютерного анализа, команда позволила им эффективно производить ксантомматин из глюкозы, простого сахара.
-
Метод увеличил производство пигмента с примерно 5 мг/л до 1–3 г/л — улучшение до 1000 раз по сравнению с предыдущими методами.
-
Прорыв устраняет основное узкое место в поставках для изучения ксантомматина и может значительно упростить производство других сложных природных соединений с помощью модифицированных микробов.
-
Помимо исследований, пигмент уже изучается для таких применений, как натуральные солнцезащитные средства, умные материалы с изменением цвета, термопокрытия, красители и экологические датчики, а стратегия производства может изменить то, как ценные биоматериалы производятся устойчивым образом.
Источник: Калифорнийский университет, Nature
Эта статья была подготовлена с частичной помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного репортажа. Добросовестное использование допускается законом об авторском праве, которое в противном случае могло бы быть нарушающим.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
