Talking ScienceΕρευνητές στο ETH Zurich δημιούργησαν βακτήρια στο εργαστήριο για να χρησιμοποιούν αποτελεσματικά τη μεθανόλη. Ο μεταβολισμός αυτών των βακτηρίων μπορεί τώρα να αξιοποιηθεί για να παραχθούν πολύτιμα προϊόντα που παράγονται σήμερα από τη χημική βιομηχανία από ορυκτά καύσιμα.
Εν συντομία
- Η μεθανόλη μπορεί να συντεθεί από διοξείδιο του άνθρακα και νερό χρησιμοποιώντας ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
- Όταν αυτή η πράσινη μεθανόλη μεταβολίζεται από εξειδικευμένα βακτήρια, μια ποικιλία χημικών ουσιών μπορεί να παραχθεί βιοτεχνολογικά.
- Η εφαρμογή αυτών των βακτηρίων θα μπορούσε να επιτρέψει στη χημική βιομηχανία να μετατρέψει το αέριο του θερμοκηπίου το διοξείδιο του άνθρακα σε πολύτιμες κλιματικά ουδέτερες χημικές ουσίες και να μειώσει σημαντικά το οικολογικό της αποτύπωμα.
Για την παραγωγή διαφόρων χημικών όπως πλαστικά, βαφές ή τεχνητές γεύσεις, η χημική βιομηχανία βασίζεται επί του παρόντος σε μεγάλο βαθμό σε ορυκτές πηγές, όπως το αργό πετρέλαιο. «Σε παγκόσμιο επίπεδο, καταναλώνει 500 εκατομμύρια τόνους ετησίως, ή περισσότερους από ένα εκατομμύριο τόνους την ημέρα», λέει η Τζούλια Βόρχολτ, Καθηγήτρια στο Ινστιτούτο Μικροβιολογίας στο ETH Ζυρίχης. «Δεδομένου ότι αυτές οι χημικές μετατροπές είναι ενεργοβόρες, το πραγματικό αποτύπωμα CO2 της χημικής βιομηχανίας είναι ακόμη έξι έως δέκα φορές μεγαλύτερο, που αντιστοιχεί περίπου στο πέντε τοις εκατό των συνολικών εκπομπών παγκοσμίως». Αυτή και η ομάδα της αναζητούν τρόπους για να μειώσουν την εξάρτηση της χημικής βιομηχανίας από τα ορυκτά καύσιμα.
Πράσινη μεθανόλη
Τα βακτήρια που τρέφονται με μεθανόλη, γνωστά ως μεθυλοτρόφια, βρίσκονται στο επίκεντρο αυτών των προσπαθειών. Περιέχοντας μόνο ένα άτομο άνθρακα, η μεθανόλη είναι ένα από τα απλούστερα οργανικά μόρια και μπορεί να συντεθεί από το αέριο του θερμοκηπίου διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Εάν η ενέργεια για αυτήν την αντίδραση σύνθεσης προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, η μεθανόλη ονομάζεται «πράσινη».
«Υπάρχουν φυσικά μεθυλοτρόφια, αλλά η βιομηχανική χρήση τους παραμένει δύσκολη παρά τη σημαντική ερευνητική προσπάθεια», λέει ο Michael Reiter, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ερευνητική ομάδα του Vorholt, που αντ’ αυτού συνεργάζεται με το βιοτεχνολογικά καλά κατανοητό μοντέλο βακτηριδίου Escherichia coli. Η ομάδα του Vorholt επιδιώκει την ιδέα να εξοπλίσει το μοντέλο βακτηρίου, το οποίο αναπτύσσεται στη ζάχαρη, με την ικανότητα να μεταβολίζει τη μεθανόλη για αρκετά χρόνια.
Πλήρης αναδιάρθρωση του μεταβολισμού
«Αυτή είναι μια μεγάλη πρόκληση γιατί απαιτεί πλήρη αναδιάρθρωση του μεταβολισμού των κυττάρων», λέει ο Vorholt. Αρχικά, οι ερευνητές προσομοίωσαν αυτήν την αλλαγή χρησιμοποιώντας μοντέλα υπολογιστών. Με βάση αυτές τις προσομοιώσεις, επέλεξαν δύο γονίδια για αφαίρεση και τρία νέα γονίδια για εισαγωγή. «Ως αποτέλεσμα, τα βακτήρια θα μπορούσαν να προσλάβουν μεθανόλη, αν και μόνο σε μικρές ποσότητες», λέει ο Reiter.
Συνέχισαν να αναπτύσσουν τα βακτήρια κάτω από ειδικές συνθήκες στο εργαστήριο για περισσότερο από ένα χρόνο έως ότου τα μικρόβια μπορούσαν να παράγουν όλα τα κυτταρικά συστατικά από μεθανόλη. Κατά τη διάρκεια περίπου 1.000 ακόμη γενεών, αυτά τα συνθετικά μεθυλοτρόφια έγιναν ολοένα και πιο αποτελεσματικά, διπλασιάζονταν τελικά κάθε τέσσερις ώρες όταν τρέφονταν μόνο με μεθανόλη. «Ο βελτιωμένος ρυθμός ανάπτυξης κάνει τα βακτήρια οικονομικά ενδιαφέροντα», λέει ο Vorholt.
Βελτιστοποίηση μέσω απώλειας λειτουργίας
Όπως περιγράφει η ομάδα του Vorholt στην πρόσφατη εξωτερική σελίδα που δημοσίευσε το papercall_made, αρκετές τυχαίες μεταλλάξεις είναι υπεύθυνες για την αυξημένη αποτελεσματικότητα της χρήσης μεθανόλης. Οι περισσότερες από αυτές τις μεταλλάξεις είχαν ως αποτέλεσμα την απώλεια της λειτουργίας διαφόρων γονιδίων. Αυτό είναι εκπληκτικό με την πρώτη ματιά, αλλά μετά από προσεκτικότερη εξέταση, γίνεται φανερό ότι τα κύτταρα μπορούν να εξοικονομήσουν ενέργεια χάρη στην απώλεια της λειτουργίας των γονιδίων. Για παράδειγμα, ορισμένες μεταλλάξεις προκαλούν την αποτυχία των αντίστροφων αντιδράσεων σημαντικών βιοχημικών αντιδράσεων. «Αυτό καταργεί τις περιττές χημικές μετατροπές και βελτιστοποιεί τη μεταβολική ροή στα κύτταρα», γράφουν οι ερευνητές.
Για να εξερευνήσουν τις δυνατότητες των συνθετικών μεθυλοτρόφων για τη βιοτεχνολογική παραγωγή βιομηχανικά σχετικών χημικών ουσιών, η Vorholt και η ομάδα της εξόπλισαν τα βακτήρια με πρόσθετα γονίδια για τέσσερις διαφορετικές βιοσυνθετικές οδούς. Στη μελέτη τους, τώρα δείχνουν ότι τα βακτήρια παρήγαγαν όντως τις επιθυμητές ενώσεις σε όλες τις περιπτώσεις.
Ευέλικτη πλατφόρμα παραγωγής
Για τους ερευνητές, αυτό είναι ξεκάθαρη απόδειξη ότι τα κατασκευασμένα βακτήρια τους μπορούν να υλοποιήσουν αυτό που είχε αρχικά υποσχεθεί: τα μικρόβια είναι ένα είδος εξαιρετικά ευέλικτης πλατφόρμας παραγωγής στην οποία μπορούν να εισαχθούν μονάδες βιοσύνθεσης σύμφωνα με την αρχή “plug-and-play”. ωθώντας τα βακτήρια να μετατρέψουν τη μεθανόλη σε επιθυμητές βιοχημικές ουσίες.
Ωστόσο, οι ερευνητές πρέπει ακόμα να αυξήσουν σημαντικά την απόδοση και την παραγωγικότητα για να καταστεί δυνατή η οικονομικά βιώσιμη χρήση των βακτηρίων. Η Vorholt και η ομάδα της έλαβαν πρόσφατα ένα ταμείο καινοτομίας «για να επεκτείνουν περαιτέρω τα σχέδια προς εφαρμογές και να επιλέξουν προϊόντα στα οποία θα εστιάσουν πρώτα», λέει η Vorholt.
Όταν ο Reiter μιλά για το πώς μπορεί να βελτιστοποιηθεί η καλλιέργεια βακτηρίων σε βιοαντιδραστήρες, γεμίζει με ενθουσιασμό. «Δεδομένων των προκλήσεων της κλιματικής αλλαγής, είναι σαφές ότι χρειάζονται εναλλακτικές λύσεις αντί των ορυκτών πόρων», λέει. «Αναπτύσσουμε μια τεχνολογία που δεν εκπέμπει επιπλέον CO2 στην ατμόσφαιρα», λέει ο Reiter. Και δεδομένου ότι τα συνθετικά μεθυλοτρόφια, εκτός από την πράσινη μεθανόλη, δεν απαιτούν πρόσθετες πηγές άνθρακα για την ανάπτυξη και τα προϊόντα τους, επιτρέπουν «να παράγονται ανανεώσιμες χημικές ουσίες που δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον».
Aναδημοσίευση άρθρου του Ori Schipper 23.04.2024 στο ETH Zurich News. Link to original article >
Πηγή: Reiter MA, Bradley T, Büchel LA, Keller P, Hegedis E, Gassler T, Vorholt JA: A synthetic methylotrophic Escherichia coli as a chassis for bioproduction from methanol. Nature Catalysis, 23 April 2024, doi: external page10.1038/s41929-024-01137-0
