Очистка сточных вод в недалеком будущем может стать рентабельной фабрикой производства удобрений.
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), Калифорнийского университета в Ирвайне и Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (UIUC) использовали биологию для превращения человеческой мочи в ценный продукт. Команда генетически модифицировала дрожжи, чтобы взять элементы, присутствующие в моче, и создать гидроксиапатит - минерал на основе кальция и фосфора, который естественным образом вырабатывается людьми и другими животными для построения костей и зубов.
Производимый в промышленных масштабах гидроксиапатит используется в хирургии и стоматологии для восстановления сломанных конструкций, а его легкая прочность и жесткость делают его прекрасным кандидатом в качестве строительного материала и даже в качестве замены некоторым видам пластика.
Их работа, недавно опубликованная в журнале Nature Communications, не только предлагает экономически эффективный способ производства гидроксиапатита, но и практический механизм снижения затрат на очистку сточных вод, энергоэффективный способ производства удобрений и открывает двери для других технологий на основе дрожжей, которые могут создавать полезные материалы из извлеченных минералов.
Звезда шоу - штамм команды Saccharomyces boulardii, дрожжей, тесно связанных с видами, используемыми для варки пива и выпечки хлеба. S. boulardii любит захватывать минералы из окружающей среды и хранить их в специальном мембранном отсеке.
Соавторы Ясуо Йошикуни, руководитель научной программы по синтезу ДНК в Объединенном институте генома (JGI), и Питер Эрциус, научный сотрудник Национального центра электронной микроскопии в исследовательский центр в области нанотехнологий Molecular Foundry, изучали способы создания функциональных биоматериалов с помощью микробов, когда они поняли, что S. boulardii естественным образом выполняет функции, сходные с функциями остеобластов - специализированных клеток животных, которые вырабатывают гидроксиапатит и формируют кость.
JGI и Molecular Foundry являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США, расположенными в лаборатории Беркли.
«Самое интересное, что у этих дрожжей уже были похожие молекулярные механизмы. Просто легкой настройки было достаточно, чтобы превратить дрожжи в клеточную фабрику для гидроксиапатита», - сказал Йошикуни, который специализируется на разработке микробов для производства топлива, химикатов и материалов в JGI.
Полученный организм, получивший название «остеодрожжи», успешно имитирует остеобласты, которые крайне сложно и дорого культивировать вне организма, при этом сохраняя неприхотливый образ жизни дрожжей. С самого начала остеодрожжи представляли собой большую отдачу от инвестиций, позволяя производить более дешевый гидроксиапатит. Но команда увидела возможность оказать большее глобальное влияние с помощью своего изобретения, используя мочу в качестве источника минералов — вдохновленная новой тенденцией в биотехнологии, метко названной «циклированием мочи».
«Это именно то, что вы думаете. Люди пытаются собирать мочу до того, как она попадет в канализацию, чтобы использовать аммиак и фосфат в ней для сельского хозяйства и других целей. Эти компоненты вызывают проблемы с окружающей средой, когда сточные воды попадают в ландшафт или океан, поэтому очистные сооружения уже тратят много денег на нейтрализацию мочи. Идея в том, почему бы нам не использовать ее?» - поясняет автор Бехзад Рад, главный научный сотрудник по инжинирингу в отделении биологических наноструктур в Molecular Foundry.
По словам Йошикуни, до сих пор подобная не получило широкого распространения, поскольку стоимость аммиака и фосфата настолько низка, что нет финансовых стимулов инвестировать в новую крупномасштабную инфраструктуру, которая может извлекать эти ингредиенты. Но теперь остеодрожжи могут производить ценный гидроксиапатит из фосфора (и кальция) в моче. И, что удобно, микробы также собирают соли аммиака в своих мембранных отсеках.
«Сегодня мы используем около 1% мировой энергии для производства удобрений из азотного газа. Если мы сможем производить и гидроксиапатит, и азотные удобрения из аммиака, мы могли бы потенциально заменить значительную часть общего спроса на азот, экономя энергию и одновременно резко сокращая расходы на очистных сооружениях», - добавил исследователь.
Ключевой частью этого проекта было подтверждение того, что остеодрожжи выполняют все этапы производства гидроксиапатита. Первоначальные результаты показали, что проект имел быстрый успех, когда Исаак Мюллер и Алекс Лин, два постдокторанта в лаборатории Беркли и соавторы статьи, обнаружили гидроксиапатит в культуре, но ученые не нашли кристаллического материала внутри дрожжей.
Они могли видеть наномасштабные минеральные гранулы, собранные внутри клеток, но не были уверены, были ли это дрожжи, завершающие процесс построения кристаллов, или же за пределами клеток происходила отдельная химическая реакция. Эту часть проекта возглавляли Эрциус и Рад, используя инструменты из Molecular Foundry.
Рад использовал штаммы дрожжей, помеченные крошечными флуоресцентными белками и элементами, чтобы наблюдать за ингредиентами, собирающими дрожжи, с помощью оптической микроскопии, в то время как Эрциус использовал просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ), чтобы убедиться, что гранулы, образующиеся в мембране хранения, имеют тот же состав, что и гидроксиапатит. Объединив эти методы, они смогли отследить весь процесс. Эрциус также использовал ПЭМ, чтобы показать, что гидроксиапатит является высококачественным с идеальной наноструктурой.
Тем временем Ёсикуни вместе с Юсукэ Отани, соавтором первой статьи и научным сотрудником JGI, продемонстрировали, что микробы могут производить этот ценный материал с впечатляющей эффективностью, производя один грамм гидроксиапатита на килограмм мочи.
«Сотрудничество объединило все части головоломки воедино. То, что мы смогли встретиться и работать вместе так тесно, было действительно критически важно. Я не биолог, а мои коллеги не являются экспертами в области синтеза и характеристики материалов. Эта работа демонстрирует, чего можно добиться, если объединить научные подходы, которые обычно не применяются вместе», - сказал Эрциус.
Для подтверждения, что их проект по переработке мочи экономически выгоден, ученые из лаборатории Беркли обратились к соавтору Джереми Гесту, руководителю отдела устойчивого проектирования Центра передовой биоэнергетики и инноваций в области биопродуктов при Министерстве энергетики США (UIUC). Гест и Синьи (Джой) Чжан, научный сотрудник UIUC, провели технико-экономический анализ для моделирования распределенных систем производства гидроксиапатита, обслуживающих город размером с Сан-Франциско.
Учитывая затраты на культивирование остеодрожжей и отделение мочи от сточных вод, Гест и Чжан подсчитали, что производство одного килограмма гидроксиапатита коммерческого качества обойдется примерно в 19 долларов, который можно будет продать за 50-200 долларов на рынке США. Вся система могла бы приносить прибыль в размере около 1,4 миллиона долларов в год, одновременно сокращая количество химических веществ, необходимых для обеспечения безопасности сточных вод.
Запатентованные остеодрожжи теперь доступны для лицензирования для производства гидроксиапатита, и команда работает над разработкой новых штаммов, которые могут синтезировать другие биоматериалы или захватывать и хранить определенные элементы.
Источник: Lawrence Berkeley National Laboratory. Автор: Алия Ковнер.
На фото вы видите, что на снимках оптической микроскопии показаны клетки остеодрожжей. Контур вакуоли, клеточной органеллы, где кальций накапливается для образования гидроксиапатита, флуоресцирует красным. Кальций внутри вакуоли флуоресцирует зеленым.