Исследователи из Института биоэнергетики и биопроцессов Циндао (QIBEBT) Китайской академии наук (CAS) прооперировали одноклеточную водоросль для удаления несущественных генов с помощью метода геномного скальпеля. Цель — создать организм, который будет производить биотопливо из CO2 с максимальной эффективностью.
Ученые из Китая выделили 100-килобазный геном из одного типа нефтедобывающих микроводорослей, удалив гены, которые не нужны для его функционирования. Тем самым они создали «скальпель генома», который может быстро обрезать геномы микроводорослей.
Полученные микроводоросли с «минимальным геномом» потенциально пригодятся в качестве модельного организма для дальнейшего изучения молекулярной и биологической функции каждого гена.
Исследование опубликовано в The Plant Journal.
Создание «минимального генома» — генома, лишенного всех дублированных или явно нефункциональных «мусорных генов» — полезно для исследования фундаментальных вопросов о генетической функции и для проектирования клеточных фабрик, производящих ценные соединения.
Такие минимальные геномы созданы для простых организмов, но редко для эукариотических организмов, включая водоросли или растения. У высших эукариот мусорные области могут занимать до 70% генома. Удаление того, что только кажется нежелательными генами, на самом деле может оказать вредное воздействие на организм или даже убить его.
Впервые исследователи из QIBEBT создали геном с целевыми делециями размером в 100 килобаз каждая для типа водорослей Nannochloropsis oceanica.
Делеции сотен килобазных фрагментов в микроводорослях путем расщепления Cas9. Этот рисунок был сделан с помощью BioRender. Предоставлено: Лю Ян.
N. oceanica — это микроводоросли (одноклеточные водоросли), которые обладают огромным потенциалом для производства биотоплива и биоматериалов. Однако для реализации потенциала этих микроводорослей требуется обширная генная инженерия организма, чтобы максимизировать урожайность и минимизировать производственные затраты.
Команда QIBEBT сначала определила несущественные хромосомные области — те, гены которых редко экспрессируются или активируются. Они идентифицировали десять таких «регионов с низкой экспрессией» (LER). Затем использовали технику редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы вырезать два самых больших LER — размером более 200 килобаз.
Несмотря на все операции, микроводоросли по-прежнему показали нормальный рост, содержание липидов, уровни насыщения жирными кислотами и фотосинтез. В некоторых случаях скорость роста и продуктивность биомассы была даже немного выше, чем у организма в дикой природе. Таким образом, применение технологии геномного скальпеля сделало эукариотическую водоросль настоящим генератором биотоплива. Кроме того, ученые обнаружили нормальные теломеры у мутантов с делецией теломер хромосомы 30. Этот феномен подразумевает, что потеря дистальной части хромосомы может вызвать регенерацию теломер.
Теперь, когда они доказали, что могут вырезать геном такого сложного эукариота, исследователи попробуют вырезать еще больше LER и другие нелетальные области. Цель — создать полностью минимальный Nannochloropsis, который производит биотопливо из CO₂ с максимальной эффективностью.
Учёные Израиля создали штамм кишечной палочки, потребляющий углекислый газ
Израильские учёные сконструировали штамм кишечной палочки (Escherichia coli), который потребляет углекислый газ вместо глюкозы, что может быть использовано при очистке воздуха, создания биотоплива и продуктов питания. Об этом сообщает Nature.
В природе существуют микроорганизмы, которые также потребляют углекислый газ для строительства своего тела. Это растения и фотосинтетические цианобактерии. Однако, процесс по их генетическому модифицированию достаточно сложен в отличие от быстрорастущей E. coli, что затрудняет использование их в качестве биологических фабрик.
Учёные из Научного института Вейцмана в Реховоте, используя методы генной инженерии и лабораторной эволюции, создали штамм кишечной палочки, который может получать весь свой углерод из углекислого газа, отказавшись от своего главного продукта питания — глюкозы. Сначала кишечной палочке провели изменения в 11 генах, а затем посадили на год на безсахарную диету с концентрацией CO2 в 250 раз выше атмосферных. В результате появилась кишечная палочка, удовлетворяющая задачам учёных.
Отметим, что уже сейчас кишечная палочка используется для создания синтетических версий полезных химических веществ, таких как инсулин и гормон роста человека. Новое исследование может расширить номенклатуру биологически вырабатываемых продуктов топливом, продуктами питания при удешевлении технологии.
В Швеции создали новый вид биотоплива
В Упсальском университете в Швеции запатентован новый тип биотоплива. Об этом сообщает портал радио Швеции Sveriges Radio SR.
Новое биотопливо производят фотосинтезирующие бактерии, которым необходимы только свет, вода и углекислый газ. Основными производителями топлива являются цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли. При своем росте бактерии вырабатывают вещество бутанол, экологически чистое топливо. Бутанол является одноатомным спиртом. Спектр применения такого топлива весьма широк.
Перспектива этого проекта огромна: массовое производство такого топлива позволит снизить объем выбросов углекислого газа. Работой шведских ученых заинтересовался ряд автомобильных концернов, среди которых Volkswagen.
Кристаллы, излучающие электричество: материал будущего
Японские изобретатели создали улучшенные пьезоэлектрики — прозрачные кристаллы, которые пригодятся при разработке техники нового поколения.
Некоторые кристаллические материалы способы изменять свою форму, если ударить их током. Ученые десятилетиями использовали эти так называемые пьезоэлектрики в ультразвуковой медицине: материалы на их основе настолько чувствительны, что могут уловить движение звуковых волн, проходящих сквозь ткани. Недавно исследователи придумали новый способ создания мощных прозрачных пьезоэлектриков, которые могли бы не только привести к улучшению качества медицинских фотографий, но и к созданию невидимых роботов и сенсорных экранов, которые активируются при касании без сторонних аккумуляторов.
Пьезоэлектрики состоят из множества крошечных кристаллитов или монокристаллов различных материалов, включая керамику и полимеры. В обоих случаях смесь атомов превращается в простую кристаллическую единицу — обычно размером с несколько атомов — которая повторяется снова и снова. Внутри каждого из этих строительных блоков атомы расположены в так называемом электрическом диполе, с большим количеством положительных зарядов на одной стороне и большим количеством отрицательных зарядов на другой.
Применение давления к этим материалам может тонко изменить положение атомов, чего достаточно для перегруппировки зарядов и производства электрического напряжения. Применение же электрического напряжения оказывает противоположный эффект, заставляя материал расширяться в одном направлении и сжиматься в другом.
Это свойство делает пьезоэлектрики чрезвычайно полезными в широком спектре применений. Биоинженер Шри-Раджасехар Котапалли отмечает, что пьезоэлектрические устройства являются частью всего: от зажигалок и кнопок барбекю-гриля до точных систем современных микроскопов.
Они также необходимы для фотоакустической визуализации, в которой пьезоэлектрическое устройство, называемое преобразователем, используется для обнаружения ультразвуковых волн, излучаемых мягкими тканями при поглощении света от лазера. Различные молекулы — от гемоглобина до меланина — поглощают разные частоты, поэтому врачи могут визуализировать различные виды тканей для выявления проблем со здоровьем. Тем не менее, непрозрачные преобразователи отбрасывают небольшую тень, а значит ткань непосредственно под ними отобразить не получится. Чтобы обойти эту проблему, исследователи создали преобразователи, использующие прозрачные пьезоэлектрики, но до сих пор эти материалы были слишком слабыми и ненадежными, чтобы окончательно решить проблему.
Несколько лет назад исследователи в Японии придумали оригинальный способ создания прозрачных пьезоэлектриков. Выбранный ими материал, соединение ниобата свинца и титаната свинца (PMN-PT), был сегнетоэлектриком, который естественным образом питает электрические диполи. Исследователи уже превращали эти материалы в пьезоэлектрики, подвергая их воздействию электрического тока постоянного тока. Но японская команда обнаружила, что воздействие на них переменным током — тем, что подается в дома и на предприятия – вырабатывает мощный заряд пьезоэлектричества. «Это все равно, что трясти кристалл взад-вперед», поясняет Лонг-Цин Чен, специалист по вычислительным материалам из штата Пенсильвания. Подобная встряска может удвоить пьезоэлектрические свойства кристалла, о чем японская команда заявляла еще в 2011 году.
Обычно PMN-PT непрозрачен, поскольку отдельные группы диполей рассеивают свет во всех направлениях. Используя переменный ток, команда выровняла диполи, а затем с помощью нагрева и полировки сделала материал прозрачным и придала ему пьезоэлектрические свойства, в 50 раз более мощные, чем у обычных прозрачных пьезоэлектриков. Результат работы представлен в журнале Nature.
Пьезоэлектрики с улучшенными характеристиками могут быть использованы в производстве более чувствительных устройств фотоакустической визуализации, которые могут помочь врачам во всем: от выявления рака молочной железы и меланомы до отслеживания кровотока для лечения сосудистых заболеваний. Исследователи сообщают, что этот прогресс может также вдохновить инженеров на создание прозрачных приводов для невидимой робототехники и экранов, которые приводятся в действие при прикосновении.
