Микробы

Мировой топливный кризис, в результате которого взлетели цены на нефть и вырос российский ВВП, подстегнул исследования в области альтернативных источников энергии, и, в частности, улучшения технологий получения так называемого биологического топлива.

Использовать спирт в качестве топлива стали довольно давно (например, для режима форсажа в двигателях реактивных истребителей), однако только сейчас это возможно в глобальных масштабах. Это связано с парадоксальной ситуацией, сложившейся в развитых странах Европы и Америки: цена энергии, полученной из сельскохозяйственных культур типа кукурузы, сои, льна или рапса ниже, чем из традиционного минерального топлива. Основным направлением стало производство этилового спирта в качестве биотоплива из растительного материала с помощью дрожжей (дрожжи сбраживают богатый углеводами растительный материал в спирт).

Однако, эффективность такого производства была явно недостаточной из-за токсичности для дрожжей высоких концентраций спирта и глюкозы. Несмотря на устойчивый рост отрасли, за последний год в Соединенных Штатах было произведено 1.43 миллиарда галлонов спирта (включая биотопливо), тогда как потребление бензина выше на два порядка - 140 миллиардов галлонов. Топливо Е85 (на самом деле это 85% этанола) стало обычным лишь в тех штатах, где развито сельское хозяйство и нет недостатка в растительном сырье.

Получение этанола подразумевает простой производственный цикл. Вначале биологические реакторы (ферментеры) с дрожжами наполняют сырьем (кукурузой, например) - источником глюкозы. Через некоторое время дрожжи сбраживают глюкозу в этанол. Понятно, что, чем больше мы сможем насыпать в ферментер кукурузы, тем больше спирта мы получим за цикл. Проблема в том, что высокие концентрации глюкозы в начале цикла вызывают у клеток дрожжей осмотический шок, также как и высокие концентрации спирта в конце цикла являются для них стрессовым фактором. При этом устойчивость к этим стрессам у дрожжей зависит от большого количества генов, в отличие от, например, кишечной палочки, у которой обычно устойчивость к каждому типу стресса является моногенным признаком. В связи с этим ряд попыток улучшить промышленные штаммы дрожжей за счет изменения отдельных генов, контролирующих устойчивость дрожжевой клетки к осмотическому или спиртовому стрессу, не дали значимых результатов.

\ Наука исчерпала методы для увеличения устойчивости дрожжей к этанолу\ , - говорит Грэг Стефанопулос, химический инженер знаменитого MIT (Массачусетский Технологический Институт). \ Это связано с тем, что слишком большое количество генов вовлечено в антистрессовые реакции у эукариотических организмов\ - поясняет он.

Грэг входит в число ученых, осуществивших прорыв в решении этой задачи, применив совершенно иную стратегию, носящую название \ global transcription machinery engineering\ (gTME). Суть подхода gTME в следующем - в попытке получить нужный фенотип мы не пытаемся найти и изменить все гены, отвечающие за этот фенотип. Вместо этого мы получаем тысячи мутантов по генам так называемых базальных факторов транскрипции, влияющих на экспрессию всех генов вообще, в надежде обнаружить мутанта с нужным нам фенотипом. Понятно, что таких мутантов надо как-то отбирать, в этом смысле устойчивость к стрессам идеальный фенотип для gTME. Нужные мутанты будут иметь преимущество при росте в среде содержащей повышенные концентрации, в нашем случае, этанола и глюкозы. Хотя данный метод был применен для эукариот впервые, исследователи смогли достигнуть успеха.

В результате применения этого метода действительно был получен штамм дрожжей, с повышенной на 50% устойчивостью к этанолу, что может, в принципе, очень существенно снизить цену на биотопливо.