Використання Vibrio natriegens для очищення промислових відходів
У революційному дослідженні, опублікованому в журналі Nature (2025, DOI: 10.1038/s41586-025-08947-7), команда біоінженерів з Шенженя продемонструвала модульну платформу синтетичної біології, яка об’єднує п’ять різних катаболічних генетичних кластерів в одному штамі Vibrio natriegens. Цей організм, відомий своїм подвоєнням за 10 хвилин у солонуватих середовищах, був модифікований для метаболізму ряду токсичних ароматичних сполук, включаючи біфеніл, фенол, нафталін, дібензофуран (DBF) та толуол, що відкриває нові можливості для ефективного біоремедіації солонуватих і морських стічних вод.
Цільові забруднювачі: від окремих генів до багатокластерних зібрань
Промислові стічні води часто містять складні суміші стійких органічних забруднювачів (POPs), які важко піддаються традиційній обробці. Хоча різноманітні бактеріальні види незалежно еволюціонували для катаболізму окремих сполук, їх застосування обмежене вузьким спектром субстратів та несумісними вимогами до солоності. Щоб подолати ці перепони, команда з Шенженя обрала V. natriegens за його гало-стійкість та швидке накопичення біомаси за умов 2–3% NaCl.
- Вибір генетичних кластерів: дев’ять операнів (по 3–11 відкритих рамок зчитування) були виявлені в різних протеобактеріях, здатних до розщеплення бензолу, толуолу, фенолу, нафталіну, біфенілу, DBF та дібензотіофену.
- Оптимізація кодонів і промоторів: кожен операн був перероблений для досягнення оптимального вмісту GC, сили зв’язування рибосом (RBS calculator v2.0) та сумісності промотора σ70 в V. natriegens.
- Процес складання: синтетичні фрагменти ДНК (10–15 кб) були з’єднані за допомогою Гібсонової асамблеї в Saccharomyces cerevisiae перед інтеграцією в хромосому за допомогою CRISPR/Cas9–λ-Red рекомбінаційної платформи, націленої на нейтральний локус vntr.
Доказ концепції: перетворення з одного штаму на кілька субстратів
Початкова характеристика окремих штамів показала активне розщеплення для п’яти операнів. Послідовна інтеграція створила «кластер кластерів» площею близько 45 кб. У пакетних випробуваннях (30 °C, pH 7.5, 2% NaCl) цей модифікований штам видалив:
- 100% нафталіну протягом 48 годин
- ≥95% толуолу та біфенілу
- близько 80% фенолу
- 30% DBF
При застосуванні до реальних соляних стічних вод з нафтохімічних заводів консорціум досяг >95% видалення більшості ароматичних вуглеводнів та близько 80% очищення фенолу, перевершуючи змішані консорціуми на 20–30%.
Інтеграція метаболічних шляхів та фізіології господаря
На відміну від рідних деградантів, V. natriegens не має катаболічних ферментів на нижніх стадіях (наприклад, катехол 2,3-діоксигенази, муконат-лактонізуючого ферменту), щоб асимілювати проміжні продукти розщеплення кілець. Без метаболічного резерву побічні продукти накопичуються екстрацелюлярно, що може призвести до зворотного інгібування. Доктор Лі Вей, провідний автор, зазначає: «Подальші дослідження будуть націлені на інтеграцію проміжних шляхів у центральний вуглецевий метаболізм через гетерологічну експресію β-кетоадипатного шляху, що дозволить досягти повної мінералізації та підвищення вартості біомаси».
- Запропонована інтеграція операну PcaIJFKGH з Pseudomonas putida у ППП (пентозофосфатний шлях)
- Динамічні контрольні схеми з використанням індукованих промоторів (наприклад, AraC/PBAD) для балансування росту та деградації
- Метаболомний профайлінг (LC-MS/MS) для картографування проміжних потоків і запобігання метаболічним вузьким місцям
Потенціал масштабування та проектування біореакторів
Переведення успіху на лабораторному рівні в промислові потоки вимагає ретельного інженерного підходу до реакторів:
- Безперервні реактори з перемішуванням (CSTR) з мембранними біоплівковими носіями для підтримання високої щільності клітин
- Оптимізований гідравлічний час утримання (HRT) 24–36 годин для повного обігу
- Моніторинг у реальному часі за допомогою онлайн-сенсорів GC–MS та автоматизованого контролю pH/солоності
Економічне моделювання свідчить, що за умови початкової концентрації 200 мг/л загальних ароматичних сполук, експлуатаційні витрати (OPEX) можуть знизитися на 40% у порівнянні з адсорбцією активованим вугіллям.
Регуляторні та екологічні аспекти
Використання генетично модифікованих мікроорганізмів (ГММ) в відкритих середовищах викликає питання біобезпеки. Команда впровадила:
- Кілька модулів біоізоляції: аутотрофність для діамінопімелевої кислоти (DAP) та контрольований рибосвітлом вимикач, активований ненативним філіном.
- Генетичні запобіжники: синтетичні генетичні драйви для запобігання горизонтальному переносу катаболічних кластерів.
- Оцінка ризиків: дотримання рекомендацій ВООЗ та ОЕСР щодо випуску ГММ у водні системи.
У пілотних випробуваннях у закритій прибережній лагуні не було виявлено втечі трансгенів протягом 60 днів, що підтверджує можливість контрольованого польового застосування.
Експертні думки та майбутні напрямки
На думку професора Марії Гонсалес (MIT, кафедра біологічної інженерії), «Ця робота є важливим етапом у модульній біоремедіації, що об’єднує передове редагування геному з дизайном швидкозростаючих систем. Наступним кроком стане автоматизована оптимізація шляхів за допомогою мутагенезу, керованого машинним навчанням».
Тривають зусилля в цій галузі, включаючи поєднання інженерії ферментів на основі ШІ (наприклад, редизайн активних сайтів за допомогою AlphaFold) з мікрофлюїдною високопродуктивною селекцією для еволюції шляхів для нових забруднюючих речовин, таких як пер- та поліфлуороалкільні речовини (PFAS).
Об’єднуючи синтетичну біологію, системну інженерію та інновації в біопроцесах, це дослідження прокладає шлях до надійних, масштабованих рішень для найбільш стійких відходів у світі.