Биопластик из цианобактерий
Уже длительное время ученые ищут решение «пластиковой проблемы», по прогнозам в течение десятилетия производство пластика вырастет на 40%. Кроме лучших методов переработки пластика, ученые предлагают использовать менее вредные для окружающей среды вещества, которые состоят, например, из биоотходов, кукурузы или сахарного тростника. Но исследования доказывают: некоторый биопластик вредит климату, и не подвергается биологическому распаду, а порой даже ядовит.
Одно из решений, которое могли бы предложить цианобактерии из рода synechocystis: для фотосинтеза они нуждаются только в воде, диоксиде углерода и солнечном свете, и как побочный продукт создают полигидроксибутират (PHB). Этот полиэстер некоторые микроорганизмы создают в естественной среде как резервное вещество (reserve substances). Такой пластик более хрупкий, чем обычный, но его можно использовать как биопластик с добавлением других полимеров.
Преимущество: пластик из PHB быстрее разлагается и не загрязняет окружающую среду. Но обычно количество полиэстера, который вырабатывают бактерии, очень незначительна. Как можно изменить цианобактерии, чтобы они продуцировали больше природного сырья, исследовали ученые во главе с Морисом Кохом (Moritz Koch) из Тюбингенского университета. Они предположили, что водоросли могут иметь невероятный потенциал в производстве.
«В определенной степени цианобактерии — это скрытые чемпионы (Hidden Champions) нашей планеты», — подчеркнул Кох.
Ученые определили протеины, которые в бактериях действуют как «тормоз», ограничивая клеточное продуцирование полигидроксибутирата. Этот протеиновый регулятор, называемый PirC, отвечает за то, чтобы накопившийся в клетке углерод использовался для гликолиза. Если этот «тормоз» исключить, продуцирование пластика можно существенно повысить.
«Отменив эту функцию, можно корректировать потоки углерода», — пояснили ученые. Чтобы этого достичь, сначала ученые подавили активность белка PirC, имитировав избыток продуктов гликолиза. Кроме того, ученые исключили в геноме цианобактерий два гена, вовлеченные в метаболизм полигидроксибутирата. Поэтому измененные штаммы бактерий росли в разных условиях, а ученые наблюдать за продуцированием PHB.
Оказалось, что количество полигидроксибутирата, который продуцируют бактерии, существенно возросло.
«Когда клетки растут в бедной на фосфор и азот среде, они продуцируют PHB до 63% сухой массы клеток. Добавив еще ацетаты, содержание PHB можно увеличить до 81%, — сказали ученые. — Это существенно больший показатель PHB, чем те, которые ранее замечали у цианобактерий».
Под электронным микроскопом продукция природного полиэстера была существенно заметна по накоплению зерен PHB внутри бактериальной клетки. В измененных цианобактериях они занимали большую часть клетки. «Мы создали настоящую пластиковую бактерию», — констатировал Кох.
«Промышленное значение такого биопластика невозможно переоценить», — пояснил коллега Кох Карл Форхгаммер (Karl Forchhammer). В долгосрочной перспективе ученые смогут оптимизировать применение бактерий таким образом, что станет возможным их высокотехничное применение. «Это может произвести революцию во всей пластиковой промышленности», — говорит Кох.
Но микроорганизмы могут производить не только полиэстер PHB — с помощью микробов можно создавать и другое пластиковое сырье для химической индустрии: «Мы можем предположить, что блокировка регулятора PirC можно применять в продуцировании других биометаболитов, в частности сукцината, малата, липидов и жирных кислот», — объяснили ученые.
