Биологическое использование метана и аммиака, полученного из азота воздуха, с помощью метанотрофных бактерий для создания полезных для кишечника питательных веществ

Преобразование отходящих газов в полезное питание

Метан часто рассматривают как проблемный парниковый газ, который просачивается из шахт, свалок и ферм, тогда как азот из воздуха обычно превращают в удобрения на энергоёмких заводах. В этом исследовании показано, что оба газа можно улавливать и скармливать специализированным бактериям, которые производят питательный порошок с высоким содержанием белка. Ещё более примечательно, что этот порошок при употреблении способен защищать кишечник и смягчать признаки воспаления кишечника у мышей. Работа связывает климатически выгодную переработку газов со здоровьем животных, предлагая будущее, в котором утраченные газы превращаются в умные компоненты кормов.

От разбросанного метана к полезному корму

В Китае и во многих других странах большие объёмы метана выходят при добыче ископаемого топлива и обработке отходов. Поскольку он рассредоточен и дорого транспортируется по трубам, этот газ часто просто сжигают, теряя его углеродное содержание. В то же время животноводство сильно зависит от импортной сои и рыбной муки как источников белка в кормах. Авторы утверждают, что метанотрофные бактерии — микроорганизмы, которые естественно поедают метан — предлагают способ одновременно решить обе проблемы. Выращенные в резервуарах, эти микробы могут превращать метан в «белок одноклеточных», сухую биомассу, которую можно добавлять в корма, потенциально снижая давление на сельхозугодья и рыбные ресурсы и используя местные источники газа.

Кормление бактерий аммиаком, полученным из воздуха

Чтобы хорошо расти, эти бактерии, поедающие метан, также нуждаются в азоте, одном из основных строительных блоков белка. Вместо использования нитратных солей, которые дороже, команда сосредоточилась на аммиаке, получаемом из азота воздуха при помощи новой чистой технологии, использующей свет и электроэнергию. Кислород из обычного разделения воздуха одновременно может обеспечивать бактерий необходимым для дыхания кислородом. Связывание этих химических процессов с ферментацией могло бы создать компактную локальную систему: воздух разделяется на азот и кислород, азот превращают в аммиак, и вместе с метаном все три газа поступают к бактериям, которые производят белок близко к фермам, где он нужен.

Сделать аммиак безопасным для микробов

Ключевым препятствием является то, что аммиак, хотя и является предпочтительным источником азота для большинства микроорганизмов, частично неправильно обрабатывается метанотрофными бактериями. Их фермент, окисляющий метан, также действует на аммиак и образует гидроксиламин — токсический промежуточный продукт, который замедляет рост. С помощью анализа транскриптома всего генома исследователи проследили, как бактерия Methylotuvimicrobium sanxanigenens реагирует при выращивании на аммиаке вместо нитрата. Они обнаружили сильную активацию генов, вовлечённых в детоксикацию гидроксиламина, и подтвердили, что как это соединение, так и его последующий продукт — нитрит — накапливаются при кормлении аммиаком. Руководствуясь этими выводами, они генетически модифицировали клетки, чтобы те сверхэкспрессировали фермент гидроксиламинредуктазу, который прямо внутри клетки превращает токсичный промежуточный продукт обратно в безвредный аммиак, снижая его накопление и уменьшая стресс.

Увеличение производства питательного клеточного белка

Одна только генетическая настройка оказалась недостаточной; важны были также количество и режим подачи аммиака. Авторы разработали стратегию периодического подкармливания (fed-batch), при которой аммиак добавляют постепенно и удерживают ниже порога токсичности. В 3‑литровом ферментере этот модифицированный штамм достиг существенно большей клеточной плотности и увеличил продуктивность белка в 18 раз по сравнению с прежними культурами на аммиаке. Тщательные измерения показали, что полученный «метанотрофный клеточный белок» содержит высокие уровни незаменимых аминокислот и значительное количество полисахаридов, с пищевым профилем, сопоставимым с рыбной мукой, яйцом и молоком. Также была обнаружена фракция малых пептидов с потенциальной противовоспалительной активностью, а биомасса прошла проверки на эндотоксины, что поддерживает её использование в качестве ингредиента корма.

Защита кишечника и подавление воспаления

Чтобы проверить, приносит ли этот микробный белок пользу, выходящую за рамки базового питания, команда скармливала его мышам с химически индуцированным колитом — широко используемой моделью воспалительного заболевания кишечника. Мыши, получавшие белок, теряли меньше веса, имели более низкие баллы заболевания и показывали при осмотре более длинную, более здоровую толстую кишку. Срезы ткани выявили меньше язв и меньше структурного повреждения, в то время как уровень ключевого белка, формирующего барьер кишечной оболочки, Occludin, восстановился. Уровни провоспалительных сигналов в толстой кишке снизились, а противовоспалительные сигналы возросли. Одновременно состав кишечной микробиоты сместился в сторону сообществ, производящих короткоцепочечные жирные кислоты и другие полезные соединения. Некоторые метаболиты, связанные с уменьшением воспаления и улучшением энергетического обмена, стали более обильны, и даже у здоровых мышей наблюдалось укрепление кишечного барьера и более благоприятный состав микробиоты при приёме этого белка.

Трубопровод «газ→кишечник» для более зелёного будущего

По сути, эта работа строит мост между климатом и здоровьем: метан и азот из воздуха превращают в функциональный кормовой ингредиент, который питает животных и помогает поддерживать устойчивый кишечник. Решив проблему токсичности, которая ранее ограничивала использование аммиака, авторы показали, что бактерии, питающиеся метаном, можно выращивать эффективно и экономично на аммиаке, полученном из воздуха. В случае масштабирования этот подход может сократить эмиссии утекшего метана, уменьшить зависимость от традиционных белковых кормов и снизить потребность в антибиотиках и других лекарствах в животноводстве, поддерживая здоровье кишечника «изнутри».

Цитирование: Gao, Z., Liu, Y., Jiao, S. et al. Biological valorization of methane and nitrogen gas-derived ammonia via methanotrophic bacteria for gut-beneficial nutrients. Nat Commun 17, 3803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70448-6

Ключевые слова: метанотрофные бактерии, белок одноклеточных, апсайклинг метана, кишечная микробиота, функциональная добавка в корм