Zrównoważone podejście do przekształcania odnawialnych zasobów roślinnych w materiały wolne od surowców kopalnych
Wiele krajów łączy siły w walce ze zmianami klimatu, dążąc do radykalnego ograniczenia emisji gazów cieplarnianych do 2030 r. i osiągnięcia zerowego poziomu emisji netto do 2050 r. Ważnym krokiem na tej drodze jest budowanie gospodarek opartych na zasobach odnawialnych. Systemy biologiczne w naturalny sposób przetwarzają emisje gazów cieplarnianych, generując jednocześnie szereg substancji chemicznych i materiałów. Technologie biowytwarzania również czerpią z tych możliwości, wykorzystując mikroorganizmy i enzymy do przekształcania odnawialnych biozasobów w paliwa, chemikalia platformowe i bioprodukty alternatywne dla tworzyw sztucznych. Oczekuje się, że do 2030 r. ponad 35% chemikaliów i materiałów, których używamy na co dzień będzie wytwarzanych dzięki biotechnologiom napędzającym te innowacje. Zespół finansowanego przez UE projektu BioUPGRADE(odnośnik otworzy się w nowym oknie) połączył biologię obliczeniową, genomikę i materiałoznawstwo, aby rozwinąć potencjał biotechnologii w zrównoważonej produkcji, koncentrując się na biokatalizatorach (enzymach), które przekształcają włókna odnawialne w produkty o wysokiej wartości.
Waloryzacja zamiast rozkładu
„Naszym celem było opracowanie biokatalizatorów, które przekształcają odnawialne biozasoby w cenne materiały, zamiast je rozkładać”, podkreśla koordynatorka projektu Emma Master. „Tradycyjne enzymy stosowane w przetwarzaniu biomasy rozkładają materiał roślinny na cukry, które są następnie fermentowane do paliw i chemikaliów. Jednak ten paradygmat »najpierw rozkład« jest zarówno kosztowny, jak i nieefektywny pod względem gospodarki atomowej”. Zamiast tego badacze wykorzystują zaawansowane enzymy BioUPGRADE do modyfikowania naturalnej struktury biomasy, nadając jej właściwości umożliwiające zastosowanie w szerokim spektrum dziedzin, takich jak materiały opakowaniowe, przewodzące tusze do bioelektroniki czy hydrożele wykorzystywane w ochronie zdrowia i higienie osobistej. „Takie podejście poprawia wydajność materiałową i zmniejsza wpływ na środowisko w porównaniu z tradycyjnymi procesami chemicznymi”, dodaje Master.
Lepsze wykorzystanie zasobów naturalnych
Kluczowym zadaniem badaczy było zaprojektowanie biokatalizatorów, które modyfikują strukturę i właściwości chemiczne naturalnych materiałów, takich jak celuloza, hemiceluloza i chityna. W tym celu przeanalizowali oni zarówno publicznie dostępne, jak i wewnętrzne zbiory danych genomowych. Wykorzystali ponadto zaawansowane techniki, takie jak porównywanie genomów różnych gatunków genomika porównawcza(odnośnik otworzy się w nowym oknie), aby zrekonstruować ancestralne sekwencje enzymów Ancestral_sequence_reconstruction(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. ancestral sequence resurrection) i przeprowadzić symulacje molekularne, by zrozumieć, jak te enzymy działają. Kluczowym efektem tych prac było opracowanie ram obliczeniowych stosowanych do projektowania niestandardowych wielofunkcyjnych białek i identyfikacji kluczowych cech biofizycznych enzymów działających na powierzchniach materiałów. „Przemyślane projektowanie i wdrażanie funkcjonalnych metod przesiewowych ukierunkowanych na zastosowanie stanowi kluczowy element każdego schematu rozwoju biokatalizatorów”, przekonuje Master. „Dlatego opracowaliśmy mikroskalowe platformy umożliwiające identyfikację biokatalizatorów, które precyzyjnie modyfikują właściwości fizyczne – takie jak ładunek powierzchniowy, porowatość czy właściwości przepływowe – oraz właściwości chemiczne, w tym wprowadzanie grup karbonylowych i aminowych do strukturalnych polisacharydów”.
Ożywienie enzymów ancestralnych dla nowych zastosowań
Jednym z najbardziej charakterystycznych przykładów rozwoju biokatalizatorów jest projektowanie i testowanie enzymów ancestralnych, w tym ekspansyn, endoglukanazy i litycznej monooksygenazy polisacharydowej. Te wersje przodków enzymów wykazywały unikalne właściwości, których nie mają współczesne enzymy, co stanowi zaletę w zastosowaniach biotechnologicznych. Wiele starań kosztowało badaczy zwiększenie produkcji białka. W bioreaktorach o pojemności od 5 do 200 litrów powstały mikrobiologiczne ekspansyny, które zapewniają wystarczającą ilość materiału do wstępnych prób zastosowania w przetwarzaniu włókien celulozowych. To rozwiązanie umożliwia bezpośredni eksport białka do środowiska zewnątrzkomórkowego, pozwalając uzyskać wysoką wydajność bez konieczności stosowania złożonych etapów oczyszczania. Interdyscyplinarna współpraca badaczy z projektu BioUPGRADE doprowadziła do opracowania bardziej ukierunkowanych, elastycznych i przewidywalnych technologii tworzenia materiałów funkcjonalnych. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, które rozkładają biomasę roślinną do cukrów, badacze wykorzystują enzymy do jej selektywnej modyfikacji, zamiast całkowitej konwersji do cukrów, co pozwala lepiej zagospodarować dotąd niedostatecznie wykorzystywane zasoby oraz sprzyja ich ponownemu użyciu w ramach bardziej zrównoważonej biogospodarki.