Международная коалиция исследователей из США и Италии обнаружила новый штамм цианобактерий, или водорослей, выделенный из вулканических жерл океана, который особенно хорошо растет в присутствии CO2 и легко тонет в воде, что делает его главным кандидатом для биологически обоснованных проектов по связыванию углерода и биопроизводству ценных товаров.
Этот штамм, получивший прозвище «Chonkus», был обнаружен у берегов острова Вулкано на Сицилии, Италия — в среде, где морской CO 2 в изобилии из-за неглубоких вулканических жерл. Открытие описано в статье, опубликованной в Applied Environmental Microbiology .
«Растворенный углерод относительно разбавлен по сравнению со всеми другими молекулами в океане, и это ограничивает рост фотосинтезирующих организмов, которые там обитают. Мы решили исследовать, что произойдет, если устранить этот ограничивающий фактор, отправившись в место с большим количеством углерода, где некоторые организмы могли бы развить способность использовать его для стимуляции своего роста», — сказал соавтор исследования Макс Шуберт. «Этот встречающийся в природе штамм цианобактерий обладает рядом особенностей, которые могут быть полезны для человека, в том числе очень плотным ростом и естественной склонностью тонуть в воде, что делает Chonkus особенно интересным организмом для будущих работ по декарбонизации и биопроизводству».
Шуберт и его коллега Брейден Тирни, впервые встретились девять лет назад, работая по соседству в лаборатории преподавателя Wyss Core Джорджа Черча, доктора философии, но начали сотрудничать только в 2016 году, когда оба уже работали в Гарвардской медицинской школе (HMS).
Шуберт, микробиолог, интересовавшийся созданием инструментов для направленной эволюции бактерий и их геномов, подал предложение на симпозиуме по изменению климата HMS Consortium for Space Genetics' 2019, чтобы распространить эту работу на цианобактерии. Он выиграл главный приз, который профинансировал его ранние попытки применить свои инструменты к цианобактериям для исследования их потенциала для фиксации и секвестрации углерода.
Тем временем Тирни, который в то время был постдокторантом и соавтором совета Шуберта Черча, получил от друга статью о мелководных просачиваниях — областях на дне океана, где газы просачиваются в воду, но достаточно неглубоких, чтобы получать солнечный свет, — и понял, что в этих средах могут жить фотосинтетические микробы, которые эволюционировали и научились улавливать растворенный CO2 из воды.
Он связался с Марко Милаццо и Паолой Кватрини, оба профессора в Университете Палермо на Сицилии, которые активно изучали близлежащие, доступные неглубокие выходы. Тирни обеспечил финансирование экспедиции по сбору и обратился к Шуберту за помощью в понимании и работе с цианобактериями, которые могли присутствовать в этой среде.
Тирни и Шуберт сформировали коалицию, в которую в конечном итоге вошли ученые из Института Висса, HMS, Медицинского колледжа Вейла Корнелла, Университета штата Колорадо, Университета Висконсин-Мэдисон, Массачусетского технологического института, Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Колорадо и нескольких институтов в Палермо, Италия.
Группа начала полевую экспедицию в океан у берегов Вулкано, где они надели костюмы для подводного плавания и собрали образцы воды из мелководного просачивания, богатого CO 2. Затем они отправили трубки с морской водой через Атлантику в Бостон, где ученые под руководством Шуберта изолировали и охарактеризовали микробов, живущих в образцах.
Чтобы заставить целевые цианобактерии расти, исследователи воспроизвели условия, в которых быстрорастущие цианобактерии будут процветать: теплые температуры, много света и много CO 2. После выделения из обогащенных культур были обнаружены два штамма быстрорастущих цианобактерий: UTEX 3221 и UTEX 3222.
Команда решила сосредоточиться на UTEX 3222 из-за его одноклеточного роста, что облегчало сравнение с существующими штаммами цианобактерий.
UTEX 3222 производил более крупные колонии, чем другие известные быстрорастущие штаммы цианобактерий, и его отдельные клетки также были крупнее — отсюда и прозвище Chonkus. Он также рос до более высокой плотности, чем существующие штаммы, по-видимому, содержал в своих клетках гранулы для хранения, содержащие углерод, и имел более высокое общее содержание углерода, чем другие штаммы: все это потенциально ценные черты для таких применений, как связывание углерода и биопродукция.
Самое интересное, что Chonkus быстро осел в плотный осадок, напоминающий «зеленое арахисовое масло» на дне пробирок с образцами, в то время как другие штаммы оставались взвешенными. Такое поведение особенно ценно для промышленной переработки, поскольку в настоящее время на концентрирование и сушку биомассы приходится 15–30% производственных затрат.
«Многие из черт, которые мы наблюдали у Чонкуса, по своей сути бесполезны в их естественной среде, но очень полезны для человека. Водные организмы в природе растут при очень низкой плотности, но способность расти до высокой плотности при более высоких температурах очень полезна в промышленных условиях, которые мы используем для производства многих товаров и продуктов, и может помочь улавливать больше углерода», — говорит Тирни. «В мире существует невероятное количество микробного разнообразия, и мы считаем, что эффективнее искать микробы, которые уже эволюционировали и успешно приспособились к условиям обитания человека, чем пытаться привить все необходимые нам характеристики бактериям E. coli, выращенным в лабораторных условиях».
Команда взволнована многочисленными приложениями, которые можно было бы реализовать с помощью Chonkus или модифицированных версий этого микроба. Многие организации изучают возможность использования быстрорастущих организмов для связывания углерода, и Chonkus однажды может присоединиться к их рядам.
Несколько продуктов в настоящее время производятся из водорослей, таких как жирные кислоты омега-3, антиоксидант астаксантин и спирулина, и могут быть произведены более эффективно в штамме, который растет быстро и плотно. А тот факт, что цианобактерии напрямую собирают углерод из своей среды для роста, означает, что они могут объединить процессы связывания углерода и биопроизводства вместе в одном организме.
Образцы UTEX 3222 и UTEX 3221 криоконсервированы и доступны для использования другими исследователями из коллекции культур водорослей Техасского университета в Остине.
Вдохновленный успехом своей первой экспедиции, Тирни совместно с соавторами статьи Кристой Район и Джеймсом Хенриксеном основал некоммерческую организацию под названием « Проект двух рубежей», цель которой — изучить, как процветает жизнь в экстремальных условиях, с помощью научных экспедиций следующего поколения.
Группа уже совершила последующие экспедиции к горячим источникам в Колорадо, Дымящимся Землям в Тирренском море, коралловым рифам Красного моря и др. Организация сосредоточена на микробах, которые используются в трех основных областях: улавливание углерода, переработка CO2 для устойчивых продуктов и восстановление экосистемы кораллов.
«Черты, присущие естественным образом эволюционировавшим штаммам цианобактерий, описанным в этом исследовании, потенциально могут быть использованы как в промышленности, так и в охране окружающей среды, включая биопроизводство полезных продуктов на основе углерода или захоронение больших объемов углерода на дне океана», — сказал Черч.
«Хотя можно внести дальнейшие изменения для улучшения возможностей этих микробов, использование миллиардов лет эволюции является существенным шагом вперед в решении неотложной задачи человечества по смягчению и обращению вспять изменения климата», - резюмировали авторы исследования.
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/173881-nedavno-obnaruzhennye-tsianobakterii-mogut-pomoch-v-ulavlivanii-ugleroda
