Вчені розкрили таємницю токсичності бутанолу для мікробів

Вчені з Оук-Ріджської національної лабораторії (ORNL) Міністерства енергетики США та Університету Цинциннаті досягли значного прориву в розумінні того, чому мікроорганізми, які виробляють бутанол під час ферментації рослинної біомаси, стають вразливими до цього продукту. Ці знання можуть відкрити нові можливості для ефективнішого виробництва вітчизняних видів палива, хімічних речовин і матеріалів, що базуються на біологічних процесах. Результати дослідження, опубліковані в журналі Langmuir, базуються на використанні передових технологій нейтронного розсіювання та молекулярно-динамічних симуляцій, які дозволили детально проаналізувати вплив бутанолу на клітинні мембрани мікробів.

Бутанол — це спирт із високим енергетичним потенціалом, який може слугувати біопаливом, розчинником або сировиною для хімічної промисловості. Проте методи біологічного виробництва цього спирту стикаються з серйозною перешкодою: бутанол токсичний для мікроорганізмів, які його синтезують. Ця токсичність обмежує кількість бутанолу, яку можна отримати в процесі ферментації, що ускладнює масштабування біовиробництва. Дослідники зосередилися на вивченні спеціалізованих ділянок клітинних мембран мікробів, відомих як мембранні домени, які відіграють ключову роль у стабільності клітин і організації білків.

Для аналізу вчені використовували ліпосоми — крихітні структури, схожі на бульбашки, що імітують клітинні мембрани. Виявилося, що бутанол нерівномірно накопичується навколо мембрани, спричиняючи злиття менших доменів у більші та витончення окремих її ділянок. Такі зміни в структурі мембрани призводять до стресу клітин і зниження ефективності ферментації. Вперше визначивши конкретні механізми токсичності, дослідники відкрили шлях до розробки стійкіших штамів мікроорганізмів із міцнішими мембранами, пошуку видів із вищою толерантністю до бутанолу або створення методів для зменшення витончення мембран.

Дослідження проводили за допомогою інструменту Bio-SANS (Biological Small-Angle Neutron Scattering), розташованого в Центрі структурної молекулярної біології (CSMB) при реакторі високого потоку ізотопів — об’єкті Міністерства енергетики США. Нейтрони дозволили неінвазивно досліджувати структуру ліпосом, розкриваючи деталі молекулярного розташування. Зокрема, було встановлено, що розмір мембранних доменів зростає зі збільшенням концентрації бутанолу, а також виявлено ефект витончення мембрани. «Bio-SANS дав нам змогу зазирнути в те, що відбувається на нанометровому рівні зі структурою мембрани», — зазначив Джон Нікелс, головний дослідник проєкту та доцент Університету Цинциннаті.

Нейтрони, на відміну від рентгенівських променів, які показують лише загальну товщину мембрани, дозволили дослідити її внутрішню організацію та розподіл бутанолу. «Це набагато складніше зробити за допомогою рентгенів, але нейтрони дають змогу зрозуміти, куди саме спрямовується бутанол у мембрані», — додав Х’ю О’Ніл, директор CSMB і співавтор проєкту. Доповненням до експериментів стали молекулярно-динамічні симуляції, проведені на суперкомп’ютері Національного центру наукових обчислень у галузі енергетики (NERSC) у Лабораторії Лоуренса Берклі. Ці симуляції підтвердили експериментальні дані та показали, як бутанол накопичується на межі мембранних доменів, надаючи детальну картину молекулярної поведінки.

Отримані результати можуть стати основою для нового розуміння механізмів токсичності розчинників. «Це може бути фундаментальний механізм, коли розчинник не руйнує основну частину мембрани, а атакує її слабке місце — межу доменів», — пояснив Браян Девісон, головний науковець із системної біології та біотехнологій в ORNL. Такі знання дозволяють ставити нові запитання, наприклад, чи можуть стабільніші мембранні домени зменшити стрес клітин і підвищити ефективність ферментації.

Проєкт став прикладом успішної співпраці між академічними установами та національними лабораторіями США. «ORNL має унікальний набір інструментів і експертизи для вивчення структури клітинних мембран», — підкреслив Нікелс. Поєднання нейтронного розсіювання з молекулярними симуляціями дало змогу не лише підтвердити гіпотезу про взаємодію спиртів із клітинами, а й отримати конкретні цілі для подальших розробок. «Ми тепер знаємо, що стабільніші мембрани можуть значно підвищити вихід бутанолу», — зазначила Луоксі Тан, перша авторка дослідження та постдокторантка в ORNL.

Ця робота була підтримана програмою Biofuels SFA в ORNL, яка фінансується Міністерством енергетики США. Вона спрямована на поглиблення розуміння того, як розчинники, такі як бутанол, впливають на структуру рослинних клітинних стінок і мікробних мембран. Завдяки інтеграції біологічної експертизи, передових наукових інструментів і обчислювальних технологій, дослідники зробили важливий крок до вдосконалення біотехнологічних процесів, які можуть стати основою для сталого виробництва енергії та матеріалів у майбутньому.