Skip to main content

Development of tools to increase product yields in cyanobacteria using a synthetic biology approach

Article Category

Article available in the folowing languages:

Rewolucja w gospodarce opartej na węglu dzięki technologii umożliwiającej wykorzystanie sinic

Sinice – wszechstronne organizmy wykorzystujące światło słoneczne i dwutlenek węgla jako źródło energii mogą stanowić fundament bardziej zrównoważonej biotechnologii. W ramach projektu Cynthetica powstały narzędzia pozwalające na ulepszenie sposobów wykorzystania tych bakterii, dzięki którym możemy rozwiązać problemy wynikające z niskiej wydajności istniejących rozwiązań.

Badania podstawowe

Sinice, często określane także mianem cyjanobakterii, to gatunek prymitywnych bakterii uważanych za pierwsze organizmy zdolne do procesu fotosyntezy. Organizmy te pozyskują energię ze światła słonecznego i dwutlenku węgla pobieranego z atmosfery, jednocześnie absorbując wodę oraz rozpuszczone w niej nieorganiczne składniki odżywcze w celu rozwoju. W ramach tego procesu powstaje biomasa lub białka (enzymy), a także cenne związki chemiczne wykorzystywane przez ludzi jako składniki leków oraz materiałów takich jak tworzywa sztuczne. W ostatnich latach podejmowano próby modyfikacji genetycznej niektórych sinic w celu wytworzenia użytecznych związków chemicznych, jednak wydajność tego procesu pozostawała zbyt niska, aby było możliwe jego zastosowanie w praktyce. Co więcej, opracowane techniki oraz narzędzia nie są jeszcze zaawansowane w takim stopniu, jak podobne rozwiązania wykorzystywane w przypadku innych organizmów takich jak drożdże. Finansowany przez Unię Europejską projekt Cynthetica, realizowany przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” skutecznie opracował modyfikacje genetyczne niedawno odkrytego szczepu sinic charakteryzujących się szybkim wzrostem, które mogą pozwolić na ich wykorzystanie w zastosowaniach przemysłowych. Wykorzystane w ramach badań sinice wydzielają białka wewnątrz komórek, które mogą zostać wykorzystane w celu budowania „rusztowań” i tworzenia miejsc zakotwiczenia enzymów w ścieżkach biosyntetycznych w celu wytwarzania pożądanych związków chemicznych.

Rusztowanie, kotwica i narzędzie wychwytujące

W komórkach sinic naturalnie występuje duża liczba membran, a niektóre bakterie są w stanie budować i wykorzystywać oparte na nich rusztowania. Zespół skupiony wokół projektu Cynthetica skupił się na badaniu możliwości budowania podobnych rusztowań przez cyjanobakterie. „Chcieliśmy sprawdzić, czy dodawanie i porządkowanie kolejnych enzymów na membranach rusztowań białkowych pozwoli nam na uzyskanie większej ilości pożądanych związków chemicznych”, twierdzi koordynator projektu prof. Poul Erik Jensen. „Do tego rodzaju związków należą diterpeny, stanowiące przedmiot zainteresowania branży farmaceutycznej ze względu na właściwości antybakteryjne i przeciwzapalne”. W celu umocowania enzymów na rusztowaniach zbudowanych z membran, zespół opracował specjalne „kotwice” – ciągi aminokwasów znajdujące się na jednym z końców białka. Mimo że rozwiązanie zostało sprawdzone, a jego skuteczność potwierdzona w praktyce, modyfikacja pozwala na kotwiczenie ograniczonej liczby enzymów. Ponadto zespół stworzył specjalną „kapsułę”, czyli oddzielny przedział wewnątrz komórki. Ponieważ niektóre półprodukty chemiczne powstałe w wyniku reakcji mogą być trujące dla komórek, oddzielanie ich ogranicza szkody i zniszczenia, jakie mogą wywołać.

Droga do społeczeństwa opartego na biotechnologii

Technologia opracowana w ramach projektu Cynthetica może przynieść znaczące korzyści w związku z działaniami ukierunkowanymi na zmniejszenie naszej zależności od paliw kopalnych w procesie produkcji materiałów oraz leków. Co więcej, sinice charakteryzują się około 40-krotnie mniejszym zapotrzebowaniem na powierzchnię oraz 10 000-krotnie niższym zużyciem wody niż rośliny wytwarzające porównywalne ilości produktów, a jednocześnie nie wytwarzają przy tym prawie żadnych odpadów. W praktyce oznacza to możliwość ulokowania zakładów przemysłowych na pustyniach, na morzach oraz nieużytkach. „W przyszłości organizmy zdolne do fotosyntezy, takie jak sinice, mogą zmienić oblicze gospodarki opartej na węglu, ponieważ wykorzystują dwutlenek węgla z atmosfery, który jest powszechnie uważany za problem”, twierdzi prof. Jensen. Wyniki przeprowadzonych badań oczekują na publikację, natomiast zespół nie zasypia gruszek w popiele i stale dopracowuje stworzony przez siebie proces. Kolejnym ważnym krokiem będzie kotwiczenie dużych ilości enzymów do białkowego rusztowania. Ponadto konieczne będzie przystosowanie techniki do działania z wieloma ścieżkami biosyntezy, spośród których kilka wymaga wielu kroków i opiera się na różnych enzymach współpracujących ze sobą niczym na linii produkcyjnej. Osiągnięcia zespołu pozwolą firmom na wdrożenie innowacyjnej techniki w warunkach produkcji przemysłowej.

Słowa kluczowe

Cynthetica, biotechnologia, sinice, fotosynteza, dwutlenek węgla, leki, związki chemiczne, białka, enzymy, membrany, biosynteza, modyfikacja genetyczna

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania