Микробиологи добавили в микрокапли воды в масле тилакоиды из хлоропластов живых клеток и ферменты искусственного цикла фиксации углерода. В итоге получилось создать синтетические хлоропласты размером с клетку, которые эффективно синтезируют биологические строительные блоки (гликолевую кислоту) из атмосферного углекислого газа с использованием энергии света.

Статья опубликована в журнале Science.

С помощью нанобиотехнологий ученые создают искусственные системы, которые выполняют те или иные функции живых клеток: микрокомпартменты, которые улавливают свет, отвечают за циклы транскрипции-трансляции и сложные метаболические цепочки. Однако объединение этих отдельных модулей в комплексные системы остается сложной задачей: например, до сих пор не удалось полностью воссоздать функции хлоропластов в едином блоке.

В хлоропластах происходят два основных процесса: улавливание света хлорофиллом и синтез органических веществ из углекислого газа. На первом этапе с помощью мембранных структур тилакоидов (компартментов хлоропластов) энергия запасается в химических связях аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФH). Вторая стадия представляет собой сложный биохимический цикл, в котором энергия АТФ и НАДФH расходуется.

Микробиологи из Германии и Франции под руководством Тобиаса Эрба (Tobias Erb) из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка создали систему, которая совмещает в себе натуральные и синтетические части и выполняет функции хлоропласта.

Для начала ученые выделили тилакоиды из хлоропластов шпината (Spinacia oleracea), поместили их в микрокапли воды в масле диаметром в 92 микрометра и убедились, что на свету такая система производит АТФ и НАДФH. Чтобы измерять изменение концентрации НАДФH, наблюдали естественную флуоресценцию этих молекул.

Схема микрокапли, в которой тилакоиды шпината (зеленые) под действием света запасают энергию в АТФ и НАДФH / Tarryn Miller et al. / Science, 2020

Затем в микрокапли добавили бактериальный фермент, который катализирует одну НАДФH-зависимую биохимическую реакцию (превращает глиоксилат в гликолевую кислоту), и субстрат для него. После того, как ученые убедились, что спаривание двух процессов проходит успешно, и подобрали концентрации веществ, они усложнили систему: добавили в нее 16 ферментов искусственного биохимического цикла CETCH, в ходе которого атмосферный углекислый газ усваивается и превращается в глиоксилат (в природе такого цикла не существует, но он является аналогом естественных циклов фиксации углерода).

Искусственный биохимический цикл CETCH производит глиоксилат из углекислого газа (красный круг сверху) с использованием энергии АТФ и НАДФH, которые образуются в тилакоидах на свету (зеленый). Бактериальный фермент затем превращает глиоксилат в гликолевую кислоту (красный овал снизу) / Tarryn Miller et al. / Science, 2020

Концентрация НАДФH в микрокаплях резко возрастала на свету, и флуоресценция была тем выше, чем больше тилакоидов попало в каплю. Частицы продолжали эффективно переводить энергию света в химическую при смене светлых и темных периодов; когда систему переставали оcвещать, концентрация НАДФH постепенно снижалась.

Сверху: слева — флуоресценция НАДФH в микрокаплях, справа — микрокапли с зелеными тилакоидами. Снизу: свечение НАДФH до начала освещения и через десять минут воздействия светом / Tarryn Miller et al. / Science, 2020

Бактериальный фермент в микрокаплях производил гликолевую кислоту из глиоксилата на свету. Исследователи циклично сменяли периоды темноты и освещения: в первые фермент работал и тратил энергию, а во вторые тилакоиды восстанавливали концентрацию НАДФH. После добавления ферментов цикла CETCH и эмпирического подбора параметров удалось достичь производства гликолевой кислоты из углекислого газа со скоростью 47 микромоль на литр за 90 минут.

Изменение концентрации НАДФH в микрокаплях при смене светлых (белый фон) и темных (серый фон) периодов. Черный — в микрокаплях только НАДФH, зеленый — только тилакоиды, синий — тилакоиды и бактериальный фермент / Tarryn Miller et al. / Science, 2020

Ученым удалось объединить естественные и синтетические биологические модули в тысячах микрокапель размером с клетку. Такая фотосинтетическая система потенциально может создавать биологические строительные блоки из неорганического углерода эффективнее, чем при фотосинтезе в живых клетках.