Як побічний продукт фотосинтезу ціанобактерії можуть продукувати природний поліестер — досі вони це робили в незначних кількостях. Але зараз ученим вдалося знайти та виключити метаболічне «гальмо» у синьо-зелених водоростях. У такий спосіб змінені ціанобактерії у промислових кількостях продукують полігідроксибутират, але також можуть виробляти й іншу сировину.
Ціанобактерії в культурах: деякі з них продукують поліестер, з якого можна робити пластик. Зображення: Universität Tübingen.
Вже тривалий час науковці шукають розв’язання «пластикової проблеми», адже за прогнозами протягом наступного десятиліття виробництво пластику зросте ще на 40%. Крім кращих методів переробки пластику, вчені пропонують використовувати менш шкідливі для середовища речовини, які складаються, наприклад, з біовідходів, кукурудзи або цукрової тростини. Але дослідження доводять: деякий біопластик і шкодить клімату, і не підлягає біологічному розпаду, а часом навіть отруйний.
Одне з рішень могли б запропонувати ціанобактерії з роду synechocystis: для фотосинтезу вони потребують тільки воду, діоксид вуглецю та сонячне світло, і при цьому як побічний продукт творять полігідроксибутират (PHB). Цей поліестер деякі мікроорганізми творять у природний спосіб як резервну речовину (reserve substances). Такий пластик крихкіший, ніж звичайний, але його можна використовувати як біопластик з додаванням інших полімерів.
Перевага: пластик з PHB швидше розкладається, та не забруднює середовище. Але зазвичай кількість поліестеру, яку виробляють бактерії, дуже незначна. Як можна змінити ціанобактерії, щоб вони продукували більше природної сировини, дослідили науковці на чолі з Морісом Кохом (Moritz Koch) з Тюбінгенського університету. Вони припустили, що синьо-зелені водорості можуть мати неймовірний потенціал у виробництві пластику. «Певною мірою ціанобактерії — це приховані чемпіони (Hidden Champions ) нашої планети», — наголосив Кох.
Спочатку науковці визначили протеїни, що в бактеріях діють як «гальма», обмежуючи клітинне продукування полігідроксибутирату. Цей протеїновий регулятор, що називається PirC, відповідає за те, щоб накопичений в клітині вуглець використовувався для гліколізу. Якщо це «гальмо» виключити, продукування пластику можна суттєво підвищити.
«Відмінивши цю функцію, можна корегувати потоки вуглецю», — пояснили вчені. Аби цього досягнути, спочатку науковці пригнітили активність білку PirC, зімітувавши надлишок продуктів гліколізу. Крім того, науковці виключили в геномі ціанобактерій два гени, залучені до метаболізму полігідроксибутирату. Тож змінені штами бактерій росли за різних умов, а вчені спостерігати за продукуванням PHB.
Білі зерна заповнені полігідроксибутиратом. У змінених бактеріях їх більше. Зображення: Moritz Koch/ Universität Tübingen.
Виявилося: кількість полігідроксибутирату, яку продукують бактерії, суттєво зросла. «Коли клітини ростуть в бідному на фосфор та азот середовищі, вони продукують PHB до 63% сухої маси клітин. Додавши ще ацетати, вміст PHB можна збільшити до 81%, — сказали вчені. — Це суттєво більший показник PHB, ніж ті, які раніше помічали у ціанобактерій».
Під електронним мікроскопом надпродукція природного поліестеру була суттєво помітна по накопиченню зерен PHB всередині бактеріальної клітини. У змінених ціанобактеріях вони займали більшу частину клітини. «Ми створили справжню пластикову бактерію», — констатував Кох.
«Промислове значення такого біопластику неможливо переоцінити», — пояснив колега Коха Карл Форхгаммер (Karl Forchhammer). У довготривалій перспективі вчені зможуть оптимізувати застосування бактерій у такий спосіб, що стане можливе їхнє високотехнічне застосування. «Це зможе здійснити революцію в цілій пластиковій промисловості», — припускає Кох.
Але мікроорганізми можуть виробляти не тільки поліестер PHB — за допомогою мікробів можна творити й іншу пластикову сировину для хімічної індустрії: «Ми можемо припустити, що блокування регулятора PirC можна застосовувати у продукуванні інших біометаболів, зокрема сукцинату, малату, ліпідів і жирних кислот», — пояснили вчені.
Anna Bolten/ NPO
Eberhard Karls Universität Tübingen, Proceedings of the National Academy of Sciences, 09/02/2021, doi: 10.1073/pnas.2019988118
Зреферувала С. К.
16.02.2021