Цианобактерии: создание штаммов-продуцентов водорода
Для создания генно-инженерными методами штаммов-продуцентов, обладающих высокими скоростями выделения водорода, необходим тщательный молекулярно-генетический анализ систем водородного метаболизма. Сведения о генетическом контроле водородного метаболизма в цианобактериях представлены в обзоре [ Шестаков С.В., Михеева Л.Е. 2006 ]. Проведен транскрипционный анализ гидрогеназных генов в цианобактериях Anacystis nidulans и Anabaena variabilis [ Boison G., et al. 2000 ]. Исследована транскрипция генов, кодирующих двунаправленную гидрогеназу в клетках Nostoc sp. strain PCC 7120 [ Sjoholm J., et al. 2007 ].
Для создания генетически модифицированных штаммов, пригодных для коммерческого применения в фотобиотехнологии, могут быть использованы методы мутагенеза и генно-инженерные методы. Так, для увеличения выделения H2 клетками цианобактерий, были изолированы мутанты A. variabilis strain ATCC 29413, дефектные по процессу утилизации H2 [ Михеева Л.Е. и др. 1994 ]. Охарактеризованы [ Mikheeva L.E., et al. 1995 , Sveshnikov D.A., et al. 1997 ] и использованы для получения водорода в фотобиореакторах [ Borodin V.B., et al. 2000 , Tsygankov A.A., et al. 2002 ] мутанты с измененным водородным метаболизмом. Изучены инсерционно инактивированные дельта hup L мутанты Anabaena sp. PCC 7120 [ Masukawa H., et al. 2002 ], Nostoc punctiforme strain ATCC 29133 [ Lindberg P., et al. 2002 , Lindberg P., Cournac L. 2004 ] и Nostoc sp. PCC 7422 [ Yoshino F., et al. 2007 ]. Показано, что двойной мутант, дельта hupL дельта nifV1, растущий на воздухе, более активно выделяет H2 по сравнению с исходным дельта hupL штаммом Nostoc sp. strain PCC 7120, демонстрируя при этом значительно более длительное выделение H2 и более высокую нитрогеназную активность [ Masukawa H., et al. 2007 ].
Для повышения эффективности получения молекулярного водорода представляется перспективным использование различных мутантов с блокированной поглощающей гидрогеназой; с инактивированными мутацией структурными hup генами , или с мутированными hup и hupW генами, контролирующими метаболизм никеля, сборку и функции гидрогеназных комплексов и регуляцию их активности.
Мысль исследователей работает над созданием полуискусственных систем для продукции биоводорода, которые включают в себя интеграцию фотосинтетических белковых комплексов и гидрогеназ в биоэлектронный или биоэлектрохимический прибор. Для создания устройства получения биоводорода при фотосинтетическом окислении воды проводили иммобилизацию фотосистемы II (ФС2) на поверхности электрода [ Badura A., et al. 2006 ]. С этой целью комплекс ФС2, изолированный из цианобактерии Thermosynechococcus elongatus , с генетически пришитым "хвостиком" из шести гистидинов (His tag) был присоединен к химически модифицированным золотым электродам.
Другая искусственная система для получения водорода состояла из гидрогеназы и фотосистемы I . Ключевым компонентом здесь явилась искусственная белковая сшивка, состоящая из [NiFe]-гидрогеназы, выделенной из бета-протеобактерии Ralstonia eutropha H16, и периферической субъединицы PsaE фотосистемы I (ФСI) цианобактерии Thermosynechococcus elongatus. Комплекс гидрогеназа-ФСI обеспечивал продукцию водорода под действием света [ Ihara M., et al. 2006 ].
Для увеличения продукции водорода могут быть оптимизированы различные факторы, влияющие на этот процесс, такие, как выбор используемого штамма цианобактерий, состав газовой фазы, освещение и среда роста [ Tsygankov A.A., et al. 1998 , Tsygankov A.A., et al. 1999 , Gutthann F., et al. 2007 , Berberoglu H., et al. 2008 , Yoon J.H., et al. 2008 .
Для производства водорода могут быть использованы также гетерологичные системы. Так, усиленная продукция водорода клетками Escherichia coli , экспрессирующими цианобактериальный фермент HoxEFUYH (двунаправленную гидрогеназу) из Synechocystis sp. PCC 6803, была достигнута путем ингибирования поглощения водорода как гидрогеназой 1, так и гидрогеназой 2 [ Maeda T., et al. 2007 ]. Другим примером гетерологичных систем для продукции водорода является система, в которой совместно использовались лишенные поглощающей гидрогеназы мутанты цианобактерий Nostoc и Anabaena и гетеротрофная бактерия Rhodopseudomonas palustris P4 [ Pandey A., et al. 2007 ].
