Raziskovalci ETH so izbrali mutacije Komagataeibacter Sucrofermentans, ki lahko proizvedejo do 70 odstotkov več celuloze

Raziskovalci ETH so spremenili bogove bakterije v mikrotovarnah, ki proizvajajo čista celuloza. In proizvedejo do 70 odstotkov več kot njihovi gensko nespremenjeni kolegi.

Po ustvarjanju 40 tisoč variant bakterije Komagataeibacter Sucrofermentans, mikroorganizem, izoliran iz črne češnje in sposoben proizvesti diskretne količine celuloze, so raziskovalci izbrali najproduktivnejše z uporabo laserja, ki lahko skenira v nekaj minutah pol milijona kapljic.

Novi pristop, pojasnjujejo znanstveniki, je vsestranski in ga je mogoče uporablja za bakterije, ki proizvajajo druge materiale zanimiv za ljudi: preostane le še, da ga preizkusimo v resničnih industrijskih pogojih.

Čudežni aerogel na osnovi celuloze, ki je natisnjen 3D
Tako morska gliva požira plastiko, razpršeno v oceanih

Bakterije kot majhne tovarne materialov za prihodnost

I mikroorganizmi proizvajajo lahko različne materiale, uporabne za ljudi, in to lahko storijo na izrazito trajnosten način: celuloza, svila in minerali ki jih proizvajajo bakterije, so rezultat procesa, ki poteka pri blagih temperaturah in z uporabo nestrupenih kemičnih snovi, ki so v naravi obilno prisotne in so lahko Veljavna alternativa na tradicionalne proizvodne procese, ki zahtevajo vire in energijo.

V zadnjih letih so te mikroorganizme razvili za namene sinteze trajnostni in biokompatibilni materiali na osnovi beljakovin, kot so svila, kolagen in elastin, ampak tudi za ustvarjanje "živih materialov", ki so sposobni rasti in samoobnavljanja kot odziv na okoljske dražljaje.

Pravi izziv, pojasnjujejo znanstveniki iz Politehnika v Zürichu v študija, ki je bila pravkar objavljena v PNAS, sestoji iz izbire mikroorganizmov, ki ustrezajo inženirskim potrebam v obsegu in hitrosti industrijskih procesov: “Za proizvodnjo materialov učinkovito in v obsegu«, beremo, »Živi mikroorganizmi morajo pokazati razvite lastnosti, da lahko opravljajo biološko funkcijo, ki ustreza proizvodnim zahtevam".

To se lahko zgodi veliko v tistih inženirstvo kot v tistih divji tip, to je v njihovem naravnem stanju, vendar obstajajo neizogibna odstopanja med biološko funkcijo vrste in želenimi proizvodnimi cilji. Obetavna cesta do biofabrikacija materialov zato zahteva "razvoj drugih strategij za selekcijo genetsko programabilnih mikroorganizmov".

Med temi je tudi t.i neposredna evolucija (že široko uporabljeno z encimi), operacija, ki pospešuje ponavljajoči se proces genetske diverzifikacije in selekcije za določen želeni fenotip, običajno povzročanje naključnih ali ciljnih mutacij v genomu mikroorganizma. S tem pridobite določeno število mutantov, med katerimi lahko iščete tiste, ki so produktivnejši od divjega tipa. In iz teh izhodišč se je rodila nova študija.

Iz IIT "pameten" in rastlinski povoj za celjenje opeklin
Brez pravih inovacij biomedicinski sektor tvega propad

Mutirani mikroorganizmi za proizvodnjo veliko več celuloze

za mikroorganizme spremeniti v žive mini tovarne Tradicionalno obstajata dve poti: prva vključuje izvajanje ciljnih posegov v bakterijski genom, druga pa se opira na gojenje za ta namen najprimernejših bakterijskih sevov.

Tistega, ki ga je predstavila raziskovalna skupina pod vodstvom André Studart, profesor za kompleksne materiale na Politehniki v Zürichu, je drugačen pristop, ki vam omogoča izdelavo na desettisoče različic bakterije zelo hitro in za izbiro najproduktivnejših sevov.

Znanstveniki so se osredotočili na Komagataeibacter Sucrofermentans, aerobna bakterija, ki naravno proizvaja celulozo visoke čistosti, po kateri je veliko povpraševanje. biomedicinske aplikacije ter za proizvodnjo embalaže in tekstilnih materialov.

Ta vrsta celuloze ima dve zelo privlačni lastnosti: pospešuje celjenje ran in preprečuje okužbe. “Vendar bakterije rastejo počasi in proizvajajo omejene količine celuloze«Razloži Julie Laurent, doktorska študentka v skupini Studart in prva avtorica študije. “Zato smo morali najti način za povečanje proizvodnje".

Prva stvar je bila najti nove različice bakterije divjega tipa: raziskovalec je nato bakterijske celice obseval z UV-C svetloba, ki poškoduje DNK mikroorganizmov na naključnih mestih, nato pa bakterije postavi v temen prostor, da prepreči popravilo poškodbe DNK in tako povzročajo mutacije. Tako smo prispeli do bazena 40 tisoč naključnih mutantov, med katerimi iskati visoko donosne.

Tanja Zimmermann: “Poskušamo 'materializirati' energijo”
Prva užitna polnilna baterija na svetu

Postopek izbire mutantov, ki proizvajajo največ

Z uporabo miniaturnega aparata so znanstveniki vsako bakterijsko celico zaprli v majhno kapljico hranilne raztopine in ustvarili mikrofluidna platforma kapljicin pustite celicam, da proizvajajo celulozo določen čas. Ob koncu te inkubacijske dobe so celice analizirali fluorescenčna mikroskopija, kar nam je omogočilo identifikacijo tistih, ki so proizvedle največ celuloze.

Ekipa Andréja Studarta je samodejno izbrala celice, ki so se razvile tako, da proizvedejo izjemno veliko celuloze, zahvaljujoč izbirnemu sistemu, ki ga je razvila skupina kemikov ETH Andrew DeMello, avtomatiziran sistem, ki lahko skenira in izbira pol milijona kapljic z laserjem v le nekaj minutah.

Na koncu izbirnega postopka so ostali le oni 4 "mutant kapljice", ki so ga izdelali 50 do 70 odstotkov več celuloze v primerjavi z divjo vrsto.

Razvite celice Komagataeibacter Sucrofermentans lahko proizvedejo celulozo preprosto tako, da jih potopijo v steklene viale: ker nastane na mestu stika med zrakom in vodo, ima pridobljena celuloza obliko zelo tanke podloge ki sledijo površini tekočine.

Podloga te vrste običajno tehta od dva do tri miligrame in je debela približno 1,5 milimetra. Znanstveniki pojasnjujejo, da so celulozne preproge novih razvitih različic skoraj dvakrat težje in debelejše od tistih, ki jih proizvaja divji tip.

Presenečenja kemije: plastični odpadki tako postanejo milo
Biologija, računalništvo in tehnika se združujejo v Schällemätteliju

Bakterije z visokim donosom: ista mutacija v istem genu

Julie Laurent in njeni sodelavci so analizirali štiri zelo zmogljive različice tudi iz a genetskega vidika, da bi ugotovili, katere gene je spremenila UV-C svetloba in kako so te spremembe povzročile prekomerno proizvodnjo celuloze.

No, predstavljene so vse štiri variante ista mutacija v istem genu, ki je odgovoren za encim, ki razgrajuje beljakovine. Na presenečenje raziskovalcev pa se geni, ki neposredno nadzorujejo proizvodnjo celuloze, niso spremenili. “To sumimo proteaza razgrajuje beljakovine, ki uravnavajo proizvodnjo celuloze«, pojasnjuje Laurent, »brez te regulacije celica ne more več ustaviti procesa".

Nov pristop je mogoče uporabiti tudi za bakterije, ki proizvajajo druge snovi, in ne le beljakovin ali encimov: "Smo prvi, ki uporabljamo ta pristop za izboljšanje proizvodnja neproteinskih materialov«, pravi profesor André Studart z ETH, «zame je to delo mejnik".

Raziskovalci so že zahtevali a patent za pristop in za mutirane bakterijske različice. V prihodnosti bi želeli sodelovati s podjetji, ki se ukvarjajo z bakterijsko celulozo, da bi testirali nov mikroorganizem v realnih industrijskih pogojih.

Nova goriva iz umetne fotosinteze na milnih mehurčkih
Europij iz žarnic: pridobivanje redkih zemelj z e-odpadki