Escherichia coli został zaprojektowany tak, aby rozwijać się na metanolu, a nie na cukrach. Ta zmiana jest najnowszym krokiem w kierunku bioprodukcji neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla, a syntetyczny szczep może wytwarzać cztery związki prekursorowe stosowane w przemyśle.

Za pomocą E coli synteza związków takich jak insulina nie jest niczym nowym, a bioprodukcja, w której komórki przekształcają węgiel w inne materiały, jest stosunkowo czysta w porównaniu z metodami wykorzystującymi produkty petrochemiczne. Jednak zasilanie fabryk bakterii nadal stanowi problem. „Większość tych przemysłowych procesów biotechnologicznych opiera się na cukrach” – mówi Steffen Lindner-Mehlich, biochemik ze Szpitala Uniwersyteckiego Charité w Berlinie, który nie był zaangażowany w nowe badania. Uprawa ogromnych ilości cukru dla biorafinerii nie jest zrównoważona i powoduje przekierowanie zasobów z innych upraw. Metanol jest jednak atrakcyjną alternatywą, ponieważ pozyskiwany jest w sposób zrównoważony z odpadów rolniczych lub nawet dwutlenku węgla usuwanego z atmosfery. Wykorzystanie do tego celu naturalnie występujących bakterii metylotroficznych jest trudne, ponieważ gatunki te są trudniejsze w inżynierii genetycznej w porównaniu z E coli. E coli jest prawdopodobnie najlepiej zbadaną bakterią na świecie i jest już wykorzystywana do bioprodukcji. Ale nie może wykorzystywać metanolu.

Według Trygve Brautaset z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii jest to zaskakująco trudny problem do rozwiązania. Mapowanie genomu to pokazuje E coli posiada już wiele genów i enzymów używanych przez naturalne metylotrofy, ale posiadanie ich nie wystarczy. Jak wyjaśnia Lindner-Mehlich, te dwa typy bakterii wykorzystują enzymy w bardzo różny sposób. W przypadku cząsteczek takich jak cukry szlak jest liniowy, a związki węgla ulegają rozkładowi i reorganizacji. Metanol zawierający tylko jeden węgiel wymaga cyklu utrwalania. „Musi przebiegać trzykrotnie, aby powstał jeden związek zawierający trzy atomy węgla” – mówi Lindner-Mehlich. Złożoność mutacji kontrolujących enzymy jest zbyt duża, aby naukowcy mogli ją przewidzieć, dlatego zwrócili się ku ewolucji.

Główna autorka Julia Vorholt z ETH Zurich twierdzi, że pierwszym krokiem było zdobycie E coli „uzależniony” od metanolu. — Jeśli więc dokonasz mutacji w określonym genie [E. coli] musi wytworzyć z metanolu trochę biomasy na określone związki” – wyjaśnia. Pozostawienie bakterii do wzrostu w bioreaktorze z wystarczającą ilością węgla do przeżycia i dużą ilością metanolu sprzyja tym, którzy mogą spożywać alkohol. Dobór naturalny przejmuje kontrolę i bakterie rozwijające się przy użyciu metanolu, aż w końcu konkurują z innymi E coli wyewoluował ten sam cykl wiązania, co u innych metylotrofów.

Następnie zespół mógłby wrócić i zmapować mutacje, które umożliwiły tę zmianę, i opracować sposoby jej wykorzystania. „To, co staramy się teraz zrobić, to w zasadzie przeskanowanie metabolizmu i przyjrzenie się różnym punktom odgałęzienia od metabolizmu w kierunku produktów” – mówi pierwszy autor Michael Reiter. Byli w stanie wyprodukować cztery produkty, każdy z innego punktu rozgałęzienia metabolicznego i każdy z dużymi rynkami dla produkcji polimerów: kwas mlekowy, polihydroksymaślan, kwas itakonowy i P-kwas aminobenzoesowy. Według Reitera eksperymenty w komercyjnym bioreaktorze wykazały, że syntetyczny E coli był już całkiem zdolny. „Nie musimy wprowadzać żadnej dalszej optymalizacji, aby po prostu być na poziomie E coli która wykorzystuje glukozę do produkcji jednego z naszych produktów, na przykład kwasu mlekowego” – mówi.

Brautaset uważa, że ​​aby być konkurencyjnym, plony muszą być jeszcze wyższe, ale biorąc pod uwagę narzędzia genetyczne dostępne do bioprodukcji E coli jest to problem, który można rozwiązać. Czas podwajania bakterii to kolejny obszar wymagający ulepszeń. Obecnie ten metylotroficzny E coli podwaja się co 4,3 godziny w temperaturze 37°C. Zwykle E coli mogą rosnąć prawie pięć razy szybciej, podobnie jak naturalne metylotrofy w preferowanej przez nich temperaturze 50°C. Kolejnym wyzwaniem jest osiągnięcie tych poziomów w bardziej przyjaznej z komercyjnego punktu widzenia temperaturze 37°C, mówi Brautaset.

Aby zoptymalizować E coli ponadto grupa Vorholta poszukuje minimalnego zestawu mutacji wymaganych do metylotrofii, aby uczynić system bardziej niezawodnym. „Miejmy nadzieję, że w przyszłości będziemy w stanie produkować chemikalia przy znacznie zmniejszonym, a może nawet zerowym śladzie węglowym” – mówi Reiter.