Naukowcy zmodyfikowali pewne bakterie światłem UV, aby produkowały więcej celulozy. Podstawą tego jest nowe podejście, dzięki któremu naukowcy generują tysiące wariantów bakterii i wybierają te, które rozwinęły się w najbardziej produktywne.
Bakterie produkują materiały interesujące dla ludzi, takie jak celuloza, jedwab i minerały. Zaletą produkcji bakterii w ten sposób jest to, że jest ona zrównoważona, odbywa się w temperaturze pokojowej i w wodzie. Wadą jest to, że proces ten zajmuje dużo czasu i powoduje powstawanie ilości zbyt małych, aby nadawały się do użytku przemysłowego.
W związku z tym naukowcy od jakiegoś czasu próbują przekształcić mikroorganizmy w żywe mini-fabryki, które mogą produkować większe ilości pożądanego produktu szybciej. Wymaga to albo ukierunkowanej interwencji w genom, albo hodowli najbardziej odpowiednich szczepów bakterii.
Grupa badawcza pod przewodnictwem André Studarta, profesora materiałów złożonych na ETH w Zurychu, przedstawia obecnie nowe podejście, wykorzystujące bakterię produkującą celulozę Bakteria Komagataei sucrofermentans. Zgodnie z zasadami ewolucji poprzez dobór naturalny, nowa metoda pozwala naukowcom bardzo szybko wyprodukować dziesiątki tysięcy wariantów bakterii i wybrać te szczepy, które produkują najwięcej celulozy.
K. sukrofermentans naturalnie wytwarza celulozę o wysokiej czystości, materiał, który jest bardzo pożądany w zastosowaniach biomedycznych oraz w produkcji materiałów opakowaniowych i tekstyliów. Dwie właściwości tego typu celulozy to wspomaganie gojenia się ran i zapobieganie infekcjom. „Jednak bakterie rosną powoli i produkują ograniczone ilości celulozy. Musieliśmy zatem znaleźć sposób na zwiększenie produkcji” — wyjaśnia Julie Laurent, doktorantka w grupie Studarta i pierwsza autorka badania, które właśnie zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym PNAS.
Opracowane przez nią podejście pozwoliło na stworzenie niewielkiej liczby bakteria komagatae warianty, które wytwarzają do siedemdziesięciu procent więcej celulozy niż w swojej pierwotnej formie.
Przyspieszanie ewolucji za pomocą światła ultrafioletowego
Badacz materiałów musiał najpierw stworzyć nowe warianty oryginalnej bakterii występującej w naturze – znanej jako typ dziki. Aby to zrobić, Julie Laurent napromieniowała komórki bakteryjne światłem UV-C, które uszkadza losowe punkty bakteryjnego DNA. Następnie umieściła bakterie w ciemnym pomieszczeniu, aby zapobiec naprawie uszkodzeń DNA i tym samym wywołać mutacje.
Używając miniaturowego aparatu, zamknęła każdą komórkę bakteryjną w maleńkiej kropli roztworu odżywczego i pozwoliła komórkom produkować celulozę przez określony czas. Po okresie inkubacji, użyła mikroskopii fluorescencyjnej, aby przeanalizować, które komórki wyprodukowały dużo celulozy, a które nie wyprodukowały jej wcale lub wyprodukowały jej bardzo mało.
Za pomocą systemu sortowania opracowanego przez grupę chemika Andrew De Mello, zespół Studarta automatycznie sortował te komórki, które ewoluowały, aby produkować wyjątkowo dużą ilość celulozy. Ten system sortowania jest w pełni zautomatyzowany i bardzo szybki. W ciągu kilku minut może zeskanować pół miliona kropelek za pomocą lasera i posortować te, które zawierają najwięcej celulozy. Pozostały tylko cztery, które produkowały od 50 do 70 procent więcej celulozy niż dziki typ.
Ewoluował K. sukrofermentans komórki mogą rosnąć i produkować celulozę w matach w szklanych fiolkach na granicy powietrza i wody. Taka mata waży naturalnie od dwóch do trzech miligramów i ma około 1,5 milimetra grubości. Maty celulozowe nowo wyewoluowanych wariantów są prawie dwa razy cięższe i grubsze niż dziki typ.
Julie Laurent i jej współpracownicy przeanalizowali również genetycznie te cztery warianty, aby dowiedzieć się, które geny zostały zmienione przez światło UV-C i w jaki sposób te zmiany doprowadziły do nadprodukcji celulozy. Wszystkie cztery warianty miały tę samą mutację w tym samym genie. Ten gen jest projektem enzymu degradującego białka — proteazy. Ku zaskoczeniu badacza materiałów geny, które bezpośrednio kontrolują produkcję celulozy, nie uległy zmianie. „Podejrzewamy, że ta proteaza degraduje białka, które regulują produkcję celulozy. Bez tej regulacji komórka nie może już zatrzymać procesu” — wyjaśnia badacz.
Oczekujące patenty
Nowe podejście jest wszechstronne i można je stosować do bakterii, które produkują inne materiały. Takie podejście zostało pierwotnie opracowane w celu stworzenia bakterii, które produkują określone białka lub enzymy. „Jesteśmy pierwszymi, którzy stosują takie podejście, aby ulepszyć produkcję materiałów niebiałkowych” — mówi profesor ETH André Studart. „Dla mnie ta praca jest kamieniem milowym”.
Naukowcy złożyli wniosek patentowy na swoje podejście i zmutowane warianty bakterii.
Kolejnym krokiem będzie nawiązanie współpracy z firmami produkującymi celulozę bakteryjną w celu przetestowania nowego mikroorganizmu w rzeczywistych warunkach przemysłowych.
Odniesienie
Laurent JM, Jain A, Kan A, Steinacher M, Enrriquez Casimiro N, Stavrakis S, deMello AJ, Studart AR: Kierowana ewolucja mikroorganizmów wytwarzających materiały. PNAS, 23 lipca 2024 r., 121 (31) e2403585121, doi: 10.1073/pnas.2403585121
Piotr Rüegg
