Międzynarodowy zespół badawczy odkrył nowy szczep sinic „Chonkus”, który doskonale radzi sobie z sekwestracją dwutlenku węgla i może zrewolucjonizować bioprodukcję.
Odizolowany od kominów wulkanicznych u wybrzeży Sycylii, Chonkus rośnie gęsto i szybko osiada, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań przemysłowych i redukcji emisji dwutlenku węgla w środowisku.
Nowy szczep glonów do sekwestracji węgla
Międzynarodowy zespół naukowców ze Stanów Zjednoczonych i Włoch odkrył nowy szczep cyjanobakterii, czyli glonów, który rozwija się w CO2-bogate w wody i naturalnie tonie, co czyni go idealnym kandydatem do sekwestracji dwutlenku węgla i zrównoważonej produkcji cennych związków. Odmiana ta o nazwie „Chonkus” została znaleziona u wybrzeży Vulcano, wyspy na Sycylii we Włoszech, gdzie płytkie kominy wulkaniczne wzbogacają środowisko morskie CO2. Odkrycie opisano szczegółowo w nowym artykule opublikowanym dzisiaj (29 października) w Stosowana mikrobiologia środowiskowa.
„Rozpuszczony węgiel jest stosunkowo rozcieńczony w porównaniu do wszystkich innych cząsteczek w oceanie, co ogranicza rozwój żyjących tam organizmów fotosyntetycznych. Postanowiliśmy zbadać, co się stanie, jeśli złagodzi się ten czynnik ograniczający poprzez udanie się do miejsca z dużą ilością węgla, gdzie niektóre organizmy mogłyby wyewoluować zdolność wykorzystania go do pobudzenia swojego wzrostu” – powiedział współautor korespondujący, dr Max Schubert. ., który w momencie prowadzenia prac był pracownikiem naukowym w Wyss Institute na Uniwersytecie Harvarda, a obecnie jest głównym naukowcem w firmie Align to Innovate. „Ten naturalnie występujący szczep sinic ma kilka cech, które mogą być przydatne dla ludzi, w tym bardzo gęsty wzrost i naturalną tendencję do tonięcia w wodzie, co czyni Chonkus szczególnie interesującym organizmem do przyszłych prac nad dekarbonizacją i bioprodukcją”.
Od płytkiego morza do stołu laboratoryjnego
Schubert i inny autor korespondujący Braden Tierney, Ph.D. po raz pierwszy spotkaliśmy się jako sąsiedzi na ławce w laboratorium członka wydziału Wyss Core, dr George’a Churcha. dziewięć lat temu, ale współpracę rozpoczęli dopiero w 2016 r. w Harvard Medical School (HMS). Schubert, mikrobiolog zainteresowany budowaniem narzędzi do ukierunkowanej ewolucji bakterii i ich genomów, złożył propozycję do HMS Sympozjum Konsorcjum Genetyki Kosmicznej w 2019 r. na temat zmian klimatycznych aby przenieść tę pracę na sinice. Zdobył główną nagrodę, która sfinansowała jego wczesne próby zastosowania swoich narzędzi do zwalczania cyjanobakterii w celu zbadania ich potencjału w zakresie wiązania i sekwestracji węgla.
Tymczasem Tierney, który był wówczas stażystą podoktorskim, któremu doradzał Kościół doradczy Schuberta, otrzymał od przyjaciela artykuł na temat płytkich wycieków – obszarów na dnie oceanu, z których gazy przedostają się do wody, ale są wystarczająco płytkie, aby przyjmować światło słoneczne – i zdał sobie sprawę, że w tych środowiskach mogą żyć mikroorganizmy fotosyntetyzujące, które ewoluowały tak, aby były biegłe w wychwytywaniu rozpuszczonego CO2 z wody. Nawiązał kontakty z dr Marco Milazzo. i dr Paola Quatrini, obaj profesorowie na Uniwersytecie w Palermo na Sycylii, którzy aktywnie badali pobliskie, dostępne płytkie wycieki. Tierney zabezpieczył fundusze na wyprawę kolekcjonerską Laboratoria nasioni skontaktował się z Schubertem z prośbą o pomoc w zrozumieniu i pracy z cyjanobakteriami, które mogą występować w tym środowisku.
Tierney i Schubert utworzyli koalicję, w skład której ostatecznie weszli naukowcy z Instytutu Wyss, HMS, Weill Cornell Medical College, Colorado State University, University of Wisconsin-Madison, MITKrajowe Laboratorium Energii Odnawialnej w Kolorado i wiele instytucji w Palermo we Włoszech. Grupa zorganizowała wyprawę terenową do oceanu u wybrzeży Vulcano, podczas której założyła kombinezony do nurkowania i pobrała próbki wody z CO2-bogaty, płytki wyciek. Następnie wysłali probówki z wodą morską przez Atlantyk do Bostonu, gdzie naukowcy pod przewodnictwem Schuberta wyizolowali i scharakteryzowali drobnoustroje żyjące w próbkach.
Odsłonięcie Chonkus: potencjał bioprodukcji i wychwytywania dwutlenku węgla
Aby pobudzić docelowe sinice do wzrostu, naukowcy odtworzyli warunki, w jakich rozwijałyby się szybko rosnące sinice: wysokie temperatury, dużo światła i dużo CO2. Po izolacji z kultur wzbogacających odkryto dwa szczepy szybko rosnących sinic: UTEX 3221 i UTEX 3222. Zespół zdecydował się skupić na UTEX 3222 ze względu na jego jednokomórkowy wzrost, co ułatwiło porównanie z istniejącymi szczepami cyjanobakterii.
UTEX 3222 wytworzył większe kolonie niż inne znane szybko rosnące szczepy cyjanobakterii, a jego poszczególne komórki również były większe – stąd pseudonim Chonkus. Urosła również do większej gęstości niż istniejące odmiany, wydawała się zawierać w swoich komórkach granulki magazynujące zawierające węgiel i miała wyższą ogólną zawartość węgla niż inne odmiany: wszystkie te cechy były potencjalnie cenne do zastosowań takich jak sekwestracja węgla i bioprodukcja. Co najciekawsze, Chonkus szybko osiadł w gęstym osadzie przypominającym „zielone masło orzechowe” na dnie probówek z próbką, podczas gdy inne szczepy pozostały zawieszone. Zachowanie to jest szczególnie cenne w przetwórstwie przemysłowym, gdyż zagęszczanie i suszenie biomasy stanowi obecnie 15-30% kosztów produkcji.
Odkrywanie zastosowań komercyjnych i środowiskowych
„Wiele cech, które zaobserwowaliśmy u Chonkus, nie jest z natury przydatnych w ich naturalnym środowisku, ale są bardzo przydatne dla ludzi. Organizmy wodne naturalnie rosną przy bardzo małej gęstości, ale możliwość wzrostu do dużej gęstości w wyższych temperaturach jest bardzo pomocna w środowiskach przemysłowych, których używamy do wytwarzania wielu towarów i produktów, i może pomóc w sekwestracji większej ilości dwutlenku węgla” – powiedział Tierney. „Na świecie istnieje niesamowita różnorodność drobnoustrojów i wierzymy, że skuteczniejsze jest wyszukiwanie drobnoustrojów, które już wyewoluowały, aby odnieść sukces w środowiskach istotnych dla człowieka, zamiast próbować inżynierii laboratoryjnej wszystkich potrzebnych cech. dorosły E. coli bakteria.”
Zespół jest podekscytowany wieloma zastosowaniami, które można rozwiązać za pomocą Chonkus lub zmodyfikowanych wersji drobnoustroju. Wiele organizacji bada wykorzystanie szybko rosnących organizmów do sekwestracji węgla, a Chonkus może pewnego dnia dołączyć do ich szeregów. Obecnie z alg wytwarza się kilka produktów, takich jak kwasy tłuszczowe omega-3, przeciwutleniacz astaksantyna i spirulina, które można wytwarzać wydajniej w odmianie, która rośnie szybko i gęsto. A fakt, że cyjanobakterie bezpośrednio pobierają węgiel ze swojego środowiska do wzrostu, oznacza, że mogą połączyć procesy sekwestracji węgla i bioprodukcji w jednym organizmie. Próbki UTEX 3222 i UTEX 3221 są kriokonserwowane i publicznie dostępne do wykorzystania przez innych badaczy w witrynie Kolekcja kultur alg na Uniwersytecie Teksasu w Austin.
Poszerzanie granic badawczych: projekt dwóch granic
Zainspirowany sukcesem swojej pierwszej wyprawy, Tierney wraz ze współautorami publikacji Kristą Ryon i Jamesem Henriksenem założył organizację non-profit o nazwie Projekt Dwie Granicektórego celem jest zbadanie, jak życie rozwija się w ekstremalnych środowiskach, w ramach ekspedycji naukowych nowej generacji. Grupa ma już na swoim koncie kolejne wyprawy do gorących źródeł w Kolorado, Smoking Lands na Morzu Tyrreńskim, raf koralowych Morza Czerwonego i innych. Organizacja koncentruje się na mikroorganizmach, które mają trzy główne zastosowania: wychwytywanie dwutlenku węgla, recykling CO2 w celu uzyskania zrównoważonych produktów oraz przywracanie ekosystemu koralowców.
Wykorzystanie rozwiązań natury
„Cechy właściwe naturalnie wyewoluowanym szczepom cyjanobakterii opisanym w tym badaniu mają potencjał do wykorzystania zarówno w przemyśle, jak i środowisku, w tym do bioprodukcji użytecznych produktów na bazie węgla lub zatapiania dużych ilości węgla w dnie oceanu. Chociaż można wprowadzić dalsze modyfikacje w celu zwiększenia zdolności tych drobnoustrojów, wykorzystanie miliardów lat ewolucji stanowi znaczący krok w realizacji pilnej potrzeby ludzkości łagodzenia i odwracania zmian klimatycznych” – powiedział Church, który jest także profesorem genetyki Roberta Winthropa w HMS oraz profesor nauk o zdrowiu i technologii na Harvardzie i MIT. „Ale bardzo ważne jest, aby «zbudować pasy bezpieczeństwa przed zbudowaniem samochodu» – nasze laboratorium bada również podejścia do ochrony biologicznej, które pomagają powstrzymywać i kontrolować tego rodzaju eksperymenty”.
„Instytut Wyss powstał w oparciu o przekonanie, że Natura jest najlepszym źródłem innowacji na planecie i że naśladowanie jej zasad jest kluczem do wywierania pozytywnego wpływu. Jestem dumny z tego zespołu, że wyszedł z laboratorium i szukał najlepszych pomysłów Natury tam, gdzie już je opracował. To wspaniały przykład tego, jak nasza nowa Inicjatywa na rzecz Zrównoważonej Przyszłości wykorzystuje nieszablonowe podejście do stawienia czoła zmianom klimatycznym – największemu wyzwaniu naszego pokolenia” – powiedział dyrektor założyciel Wyss, doktor medycyny Don Ingber, który jest również Judah Folkman Profesor biologii naczyń w HMS i Boston Children’s Hospital oraz Hansjörg Wyss Profesor inżynierii inspirowanej biologią w Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych im. Johna A. Paulsona na Harvardzie.
Odniesienie: „Sinice nowo wyizolowane z morskich wycieków wulkanicznych wykazują szybkie opadanie i silny wzrost o dużej gęstości” 29 października 2024 r., Mikrobiologia stosowana i środowiskowa.
Dodatkowymi autorami artykułu są Tzu-Chieh Tang, Isabella Goodchild-Michelman, Krista Ryon, James Henriksen, Theodore Chavkin, Yanqi Wu, Teemu Miettinen, Stefanie Van Wychen, Lukas Dahlin, Davide Spatafora, Gabriele Turco, Michael Guarnieri, Scott Manalis, Johna Kowitza, Raja Dhira, Paoli Quatrini, Christophera Masona i Marco Milazzo.
Badania te były wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) w ramach grantu nr. DE-FG02-02ER63445 oraz nagrodą National Science Foundation (NSF) nr. MCB-2037995, SEED Labs, Fundacja WorldQuant, Jednostka Obliczeniowa Naukowa (SCU) w Weill Cornell Medical College oraz Międzynarodowa Sieć Naturalnych Analogów CO2 (ICONA).
