_ Bacterii pentru clima- substanțe chimice neutre ale viitorului

Cercetătorii de la ETH Zurich au creat bacterii în laborator pentru a utiliza eficient metanolul. Metabolismul acestor bacterii poate fi acum folosit pentru a produce produse valoroase fabricate în prezent de industria chimică din combustibili fosili.

Pentru a produce diverse substanțe chimice precum materiale plastice, coloranți sau arome artificiale, industria chimică se bazează în prezent foarte mult. asupra resurselor fosile precum petrolul brut. „La nivel global, consumă 500 de milioane de tone pe an, sau mai mult de un milion de tone pe zi”, spune Julia Vorholt, profesor la Institutul de Microbiologie de la ETH Zurich.

„Deoarece aceste conversii chimice sunt energetice- intens, amprenta reală de CO2 a industriei chimice este chiar de șase până la 10 ori mai mare, reprezentând aproximativ cinci procente din totalul emisiilor la nivel global.” Ea și echipa ei caută modalități de a reduce dependența industriei chimice de combustibilii fosili.

Bacteriile care se hrănesc cu metanol, cunoscute sub numele de metilotrofe, sunt în centrul acestor eforturi. Conținând doar un atom de carbon, metanolul este una dintre cele mai simple molecule organice și poate fi sintetizat din dioxid de carbon și apă din gazul cu efect de seră. Dacă energia pentru această reacție de sinteză provine din surse regenerabile, metanolul este numit „verde”.

„Există metilotrofi naturali, dar utilizarea lor industrială rămâne dificilă, în ciuda eforturilor considerabile de cercetare”, spune Michael Reiter, un cercetător postdoctoral în grupul de cercetare al lui Vorholt, care lucrează în schimb cu modelul de bacterie Escherichia coli, bine înțeleasă din punct de vedere biotehnologic. Echipa lui Vorholt urmărește de câțiva ani ideea echipării bacteriei model, care crește pe zahăr, cu capacitatea de a metaboliza metanolul.

„Aceasta este o provocare majoră deoarece necesită o restructurare completă a celulei. metabolismul”, spune Vorholt. Inițial, cercetătorii au simulat această schimbare folosind modele computerizate. Pe baza acestor simulări, au ales două gene de eliminat și trei noi gene de introdus. „Ca urmare, bacteriile ar putea prelua metanol, deși doar în cantități mici”, spune Reiter.

Ei au continuat să crească bacteriile în condiții speciale în laborator timp de mai mult de un an până când microbii au putut produce toate componentele celulare din metanol. Pe parcursul a aproximativ 1.000 de generații, acești metilotrofe sintetici au devenit din ce în ce mai eficienți, dublându-se în cele din urmă la fiecare patru ore atunci când sunt hrăniți numai cu metanol. „Rata de creștere îmbunătățită face ca bacteriile să fie interesante din punct de vedere economic”, spune Vorholt.

Așa cum descrie echipa lui Vorholt în lucrarea Nature Catalysis, câteva mutații care apar aleatoriu sunt responsabile pentru creșterea eficienței utilizării metanolului. Majoritatea acestor mutații au dus la pierderea funcției diferitelor gene.

Acest lucru este surprinzător la prima vedere, dar la o inspecție mai atentă, devine evident că celulele pot economisi energie datorită pierderii funcției genele. De exemplu, unele mutații provoacă eșecul reacțiilor inverse ale unor reacții biochimice importante. „Acest lucru elimină conversiile chimice de prisos și optimizează fluxul metabolic în celule”, scriu cercetătorii.

Pentru a explora potențialul metilotrofilor sintetici pentru producția biotehnologică de substanțe chimice în vrac relevante din punct de vedere industrial, Vorholt și echipa ei au echipat bacteriile cu gene suplimentare pentru patru căi de biosinteză diferite. În studiul lor, ei arată acum că bacteriile au produs într-adevăr compușii doriti în toate cazurile.

Pentru cercetători, aceasta este o dovadă clară că bacteriile lor concepute pot îndeplini ceea ce a fost promis inițial: microbii sunt un fel de platformă de producție extrem de versatilă în care modulele de biosinteză pot fi inserate în conformitate cu „plug- principiul „and-play”, care determină bacteriile să transforme metanolul în substanțe biochimice dorite.

Cu toate acestea, cercetătorii trebuie încă să mărească semnificativ randamentul și productivitatea pentru a permite utilizarea viabilă din punct de vedere economic a bacteriilor. Vorholt și echipa ei au primit recent un fond de inovație „pentru a extinde în continuare planurile către aplicații și pentru a selecta produsele pe care să se concentreze mai întâi”, spune Vorholt.

Când Reiter vorbește despre modul în care poate fi optimizată cultivarea bacteriilor în bioreactoare. , este plin de entuziasm. „Având în vedere provocările schimbărilor climatice, este clar că sunt necesare alternative la resursele fosile”, spune el.

„Dezvoltăm o tehnologie care nu emite CO2 suplimentar în atmosferă”, spune Reiter. Și deoarece metilotrofele sintetice, pe lângă metanolul verde, nu necesită nicio sursă suplimentară de carbon pentru creșterea și produsele lor, ei permit „producerea de substanțe chimice regenerabile care nu îngreunează mediul”.

(Fluierul)