Производство рекомбинантного белка паучьего шелка MaSp2 с использованием морской пурпурной фотосинтезирующей несульфурной бактерии Rhodovulum sulfidophilum в автотрофных условиях

Преобразование солнечного света и морской воды в прочные нити

Представьте себе производство высокоэффективного «паучьего шелка» без разведения пауков — используя лишь свет, морскую воду и газы из воздуха. В этом исследовании изучают, как морскую бактерию можно превратить в крошечную солнечную фабрику, которая синтезирует строительные блоки паучьего шелка, полагаясь на диоксид углерода и азот из атмосферы. Работа указывает на новые подходы к получению передовых материалов с гораздо меньшей зависимостью от сельскохозяйственных земель, пресной воды и ископаемых ресурсов.

Крошечный работник из моря

Исследователи работают с микроорганизмом Rhodovulum sulfidophilum — пурпурной бактерией, обитающей в морской воде и использующей свет в качестве источника энергии. В отличие от растений, она не выделяет кислород, но тем не менее осуществляет форму фотосинтеза. Она также может захватывать атмосферный азот и превращать его в азотсодержащие молекулы, необходимые жизни. Поскольку бактерия хорошо растет в солёной воде и использует простые неорганические соединения, она представляет собой перспективную платформу для производства полезных продуктов без конкуренции с сельским хозяйством за пресную воду или плодородные земли.

Почему паучий шелк привлекателен

Паучий шелк давно привлекает внимание учёных и инженеров благодаря сочетанию высокой прочности и исключительной гибкости. Тросовая нить (dragline), которую пауки используют в паутине, состоит из особых белков, называемых спидроинами. В этом исследовании внимание сосредоточено на одном таком белке — MaSp2. В природе пауки растворяют эти белки в высокой концентрации и затем прядут их в волокна со сложной внутренней структурой. Поскольку пауков сложно разводить (они часто поедают друг друга), исследователи обычно используют генетически модифицированные микробы, такие как дрожжи или обычные лабораторные бактерии, для производства белков шелка. Однако эти системы, как правило, зависят от богатых сахаром и азотом сред, что ограничивает их устойчивость.

Построение мастерской шелка, работающей на солнце

Команда модифицировала R. sulfidophilum, введя в неё кольцевую ДНК, кодирующую белок шелка MaSp2. Затем они создали условия роста, при которых бактерии полагаются почти исключительно на неорганические компоненты: диоксид углерода как источник углерода, азотный газ как источник азота и восстановлённое серосодержащее соединение — натрий тиаcульфат — как донор электронов, способствующий реакции, аналогичной фотосинтезу. В 10‑литровом сосуде с искусственной морской водой они подавали пузырьками углекислый газ и азот, тщательно контролировали pH, чтобы CO2 растворялся, и освещали культуру дальне‑красным светом, настроенным на светособирающую систему бактерии. При добавлении тиосульфата рост клеток заметно увеличился по сравнению с ранее проведёнными попытками без этого источника серы.

Измерение роста и выхода шелка

В течение нескольких дней исследователи отслеживали скорость размножения бактерий и количество углерода и азота, переходивших из морской воды в клетки. Микробы росли примерно четыре дня, после чего рост выровнялся, а химический анализ показал устойчивый захват как углерода, так и азота. Соотношение этих элементов в клетках указывало на относительную нехватку азота, что позволило предположить, что энергетически затратный этап фиксации азотного газа ограничивает общую продуктивность. Затем команда разрушила клетки и использовала метод очистки на основе связывания металлов для выделения рекомбинантного белка MaSp2. Хотя бактерии вырабатывали лишь микрограммы растворимого белка шелка на литр — крошечные количества по промышленным меркам — работа доказала, что полностью неорганические условия культивирования на основе морской воды могут поддерживать и рост, и производство рекомбинантного шелка.

Пути к повышению эффективности

Помимо непосредственного подтверждения концепции, авторы описывают несколько рычагов, которые могли бы увеличить выходы. Улучшение фотосинтеза — например, за счёт регулировки интенсивности света или баланса питательных веществ — могло бы дать больше энергии для фиксации азота и синтеза аминокислот. Тонкая настройка генетического контроля экспрессии белка шелка — например, включение синтеза только после достижения высокой плотности клеток или оптимизация последовательности под трансляционную машину бактерии — также может снизить стресс для клеток и повысить выход. Способность бактерии использовать различные восстановленные соединения серы подразумевает, что в будущем промышленные сточные потоки, содержащие серу, могли бы служить питанием для таких культур, ещё больше замыкая цикл переработки ресурсов. В то же время авторы отмечают, что масштабное применение генетически модифицированных морских бактерий потребовало бы строгих мер безопасности, чтобы исключить их выход в окружающую среду.

Что это значит для будущих материалов

Проще говоря, исследование показывает: морская бактерия способна синтезировать белок паучьего шелка, живя почти исключительно за счёт воздуха, света, морской воды и неорганического источника серы. Текущие выходы низки, но базовый путь работает, и авторы определили ясные шаги для повышения эффективности процесса. При улучшении такая солнечно‑приводимая, основанная на морской воде система производства может обеспечить способ изготовления прочных и гибких белковых материалов с гораздо меньшим экологическим следом, помогая разъединить производство современных материалов от традиционного сельского хозяйства и ископаемых ресурсов.

Цитирование: Suzuki, M., Numata, K. Production of the recombinant spider silk MaSp2 protein using the marine purple photosynthetic nonsulfur bacterium Rhodovulum sulfidophilum under autotrophic conditions. NPG Asia Mater 18, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00638-7

Ключевые слова: паучий шелк, фотосинтезирующие бактерии, устойчивое биопроизводство, культивация в морской воде, рекомбинантные белки