Jak małe bakterie mogą zrewolucjonizować materiały, których używamy na co dzień

Badacze z ETH zmodyfikowali niektóre bakterie za pomocą światła UV, tak aby wytwarzały więcej celulozy. Podstawą tego jest nowe podejście, dzięki któremu badacze generują tysiące wariantów bakterii i wybierają te, które rozwinęły się w najbardziej produktywne.

• Badacze zajmujący się materiałami w ETH Zurich stworzyli 40 000 wariantów bakterii wytwarzającej celulozę Komagataeibacter sucrofermentans.
• Wśród nich znalazły się cztery, które wytwarzają aż o siedemdziesiąt procent więcej celulozy niż te w pierwotnej postaci.
• Naukowcy osiągnęli to dzięki nowemu, opracowanemu specjalnie w tym celu podejściu, które opatentowali.
• Celuloza jest bardzo poszukiwanym surowcem, na przykład do zastosowań spożywczych, tekstylnych i biomedycznych.

Zrównoważona produkcja bakteryjna

Bakterie wytwarzają materiały interesujące dla człowieka, takie jak celuloza, jedwab i minerały. Zaletą produkcji bakterii w ten sposób jest to, że jest ona trwała, odbywa się w temperaturze pokojowej i w wodzie. Wadą jest to, że proces jest czasochłonny i daje ilości zbyt małe, aby nadawały się do zastosowania przemysłowego.

W związku z tym badacze od pewnego czasu próbują przekształcić mikroorganizmy w żywe minifabryki, które mogą szybciej wyprodukować większe ilości pożądanego produktu. Wymaga to albo ukierunkowanej interwencji w genomie, albo hodowli najbardziej odpowiednich szczepów bakteryjnych.

Ewolucyjne metody zwiększonej produkcji

Grupa badawcza kierowana przez André Studarta, profesora materiałów złożonych w ETH Zurich prezentuje obecnie nowe podejście, wykorzystujące bakterię wytwarzającą celulozę Komagataeibacter sucrofermentans. Kierując się zasadami ewolucji poprzez dobór naturalny, nowa metoda umożliwia naukowcom bardzo szybkie wytworzenie dziesiątek tysięcy wariantów bakterii i wyselekcjonowanie tych szczepów, które produkują najwięcej celulozy.

K. sucrofermentans w naturalny sposób produkuje celulozę o wysokiej czystości, materiał cieszący się dużym zainteresowaniem w zastosowaniach biomedycznych oraz przy produkcji materiałów opakowaniowych i tekstyliów. Dwie właściwości tego rodzaju celulozy to wspomaganie gojenia ran i zapobieganie infekcjom. „Jednak bakterie rosną powoli i wytwarzają ograniczone ilości celulozy. Dlatego musieliśmy 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 wyprodukować niewielką liczbę Komagataeibacter warianty, które wytwarzają do siedemdziesięciu procent więcej celulozy niż w ich pierwotnej postaci.

Przyspieszenie ewolucji światłem UV

Badacz zajmujący się materiałami musiał najpierw stworzyć nowe warianty pierwotnej bakterii występującej w przyrodzie – zwanej typem dzikim. W tym celu Julie Laurent napromieniowała komórki bakteryjne światłem UV-C, które uszkadza przypadkowe punkty bakterii. DNA. Następnie umieściła bakterie w ciemnym pomieszczeniu, aby zapobiec naprawie uszkodzeń DNA i w ten sposób wywołać mutacje.

Następnie za pomocą miniaturowego aparatu umieściła każdą komórkę bakteryjną w maleńkiej kropelce roztworu odżywczego i umożliwiła komórkom wytwarzanie celulozy przez określony czas. Po okresie inkubacji wykorzystała mikroskopię fluorescencyjną do sprawdzenia, które komórki wytworzyły dużo celulozy, a które nie wytworzyły jej wcale lub bardzo mało.

Za pomocą systemu sortowania opracowanego przez grupę chemika ETH Andrew De Mello zespół Studarta automatycznie posortował komórki, które ewoluowały, aby wytworzyć wyjątkowo dużą ilość celulozy. Ten system sortowania jest w pełni zautomatyzowany i bardzo szybki. W ciągu kilku minut może zeskanować laserem pół miliona kropel i uporządkować te zawierające najwięcej celulozy. Pozostały tylko cztery, które wytwarzały od 50 do 70 procent więcej celulozy niż typ dziki.

Spostrzeżenia genetyczne i zastosowania przemysłowe

Wyewoluowany K. sucrofermentans komórki mogą rosnąć i wytwarzać celulozę w matach w szklanych fiolkach na styku powietrza i wody. Taka mata waży naturalnie od dwóch do trzech miligramów i ma około 1,5 milimetra grubości. Maty celulozowe nowo opracowanych wariantów są prawie dwukrotnie cięższe i grubsze niż maty typu dzikiego.

Julie Laurent i jej współpracownicy również przeanalizowali genetycznie te cztery warianty, aby dowiedzieć się, które geny zostały zmienione przez światło UV-C i w jaki sposób zmiany te doprowadziły do ​​nadprodukcji celulozy. Wszystkie cztery warianty miały tę samą mutację w tym samym genie. Gen ten jest wzorem dla enzymu rozkładającego białka – proteazy. Jednak ku zaskoczeniu badacza materiałów geny bezpośrednio kontrolujące produkcję celulozy nie uległy zmianie. „Podejrzewamy, że ta proteaza degraduje białka regulujące produkcję celulozy. Bez tej regulacji komórka nie jest już w stanie zatrzymać tego procesu” – wyjaśnia badacz.

Przyszłe zastosowania i patenty

Nowe podejście jest wszechstronne i można je zastosować do bakterii wytwarzających inne materiały. Podejścia takie pierwotnie opracowano w celu stworzenia bakterii wytwarzających określone białka lub enzymy. „Jako pierwsi zastosowaliśmy takie podejście do usprawnienia produkcji materiałów niebiałkowych” – mówi profesor ETH André Studart. „Dla mnie ta praca jest kamieniem milowym”.

Naukowcy złożyli wniosek o patent na podejście i zmutowane warianty bakterii.

W kolejnym kroku chcieliby nawiązać współpracę z firmami produkującymi celulozę bakteryjną, aby przetestować nowy mikroorganizm w rzeczywistych warunkach przemysłowych.

Odniesienie: „Ukierunkowana ewolucja mikroorganizmów produkujących materiały” Julie M. Laurent, Ankit Jain, Anton Kan, Mathias Steinacher, Nadia Enrriquez Casimiro, Stavros Stavrakis, Andrew J. deMello i André R. Studart, 23 lipca 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2403585121