Ученые из Манчестерского университета достигли значительного прорыва в использовании цианобактерий, широко известных как «сине-зеленые водоросли», для преобразования углекислого газа (CO2) в ценные биоматериалы.
Работа исследователей, опубликованная в журнале Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, значительно ускоряет разработку устойчивых альтернатив продуктам, получаемым из ископаемого топлива, таким как пластик, помогая проложить путь к углеродно-нейтральной циклической биоэкономике, сообщает Энна Бартлетт в релизе Манчестерского университета.
Исследование, проведенное под руководством доктора Мэтью Фолкнера, работающего вместе с доктором Фрейзером Эндрюсом и профессором Найджелом Скраттоном, было сосредоточено на улучшении производства цитрамалата, соединения, которое служит прекурсором для возобновляемых пластиков, таких как плексиглас или оргстекло.
Используя инновационный подход, называемый «дизайн эксперимента», команда достигла замечательного 23-кратного увеличения производства цитрамалата путем оптимизации ключевых параметров процесса.
Цианобактерии - микроскопические организмы, способные к фотосинтезу, преобразующие солнечный свет и CO2 в органические соединения. Они являются перспективными кандидатами для промышленного применения, поскольку могут преобразовывать CO2 - основной парниковый газ - в ценные продукты, однако до сих пор медленный рост и ограниченная эффективность этих организмов создавали проблемы для крупномасштабного промышленного использования.
«Наше исследование направлено на устранение одного из ключевых узких мест в использовании цианобактерий для устойчивого производства, - объясняет Фолкнер. - Оптимизировав то, как эти организмы преобразуют углерод в полезные продукты, мы сделали важный шаг к тому, чтобы сделать эту технологию коммерчески жизнеспособной».
Исследования команды были сосредоточены на Synechocystis sp. PCC 6803, хорошо изученном штамме цианобактерий.
Цитрамалат, который является предметом их исследования, производится в один ферментативный этап с использованием двух ключевых метаболитов: пирувата и ацетил-КоА (ацетил-коэнзим А – соединение, которой важно для многих биохимических реакций). Тонкой настройкой параметров процесса, таких как интенсивность света, концентрация CO2 и доступность питательных веществ, исследователи смогли значительно увеличить производство цитрамалата.
Первоначальные эксперименты дали лишь небольшие количества цитрамалата, но дизайн экспериментального подхода позволил команде систематически исследовать взаимодействие между несколькими факторами. В результате удалось увеличить производство цитрамалата до 6,35 граммов на литр (г/л) в 2-литровых фотобиореакторах с производительностью 1,59 г/л/день.
Хотя производительность несколько снизилась при увеличении объема реакторов до 5 литров из-за проблем с подачей света, исследование показывает, что такие корректировки поддаются управлению в процессах масштабирования биотехнологий.
Последствия этого исследования выходят за рамки пластика. Пируват и ацетил-КоА, ключевые метаболиты, участвующие в производстве цитрамалата, также являются предшественниками многих других биотехнологически значимых соединений. Таким образом, методы оптимизации, продемонстрированные в этом исследовании, могут быть применены для производства различных материалов, от биотоплива до фармацевтических препаратов.
Повышая эффективность улавливания и использования углерода, исследование вносит вклад в глобальные усилия по смягчению последствий изменения климата и снижению зависимости от невозобновляемых ресурсов.
«Эта работа подчеркивает важность круговой биоэкономики, - отмечает Фолкнер. - Превращая CO2 во что-то ценное, мы не просто сокращаем выбросы — мы создаем устойчивый цикл, в котором углерод становится строительным блоком для продуктов, которые мы используем каждый день».
Команда планирует и дальше совершенствовать свои методы и изучать способы масштабирования производства, сохраняя при этом эффективность. Они также изучают, как их подход можно адаптировать для оптимизации других метаболических путей в цианобактериях с целью расширения ассортимента биопродуктов, которые можно производить устойчивым образом.
Источник и фото: University of Manchester. Автор: Энна Бартлетт.