Bakteryjne fabryki komórkowe podstawą bardziej zrównoważonych procesów produkcyjnych
Ludzkość przyzwyczaiła się do wytwarzania potrzebnych jej związków chemicznych z paliw kopalnych – niestety, konsekwencją tego stanu rzeczy jest duże zużycie energii, emisje dwutlenku węgla i toksyczne odpady trafiające do środowiska naturalnego. Świat wyglądałby zupełnie inaczej, gdybyśmy byli w stanie wytwarzać aminokwasy, barwniki spożywcze lub monomery tworzyw sztucznych dzięki mikroorganizmom. Przecież paliwa kopalne również powstały dzięki nim. Od wielu lat sektor biotechnologii przemysłowej stara się dążyć do wykorzystywania mikroorganizmów lub ich enzymów do przetwarzania cukrów na wiele związków tradycyjnie dostarczanych przez przemysł chemiczny, uzyskując je jednak w drodze znacznie bardziej zrównoważonych procesów. Jednak zanim stanie się to możliwe, naukowcy muszą najpierw zidentyfikować mikroorganizmy wytwarzające poszczególne związki oraz zbadać wydajność tych procesów. „Nasz pomysł opiera się na inżynierii mikroorganizmów i niejako zmuszenia ich do tego, by spożytkowały swoją energię na wytwarzanie pożądanych substancji chemicznych, zamiast na wzrost i rozmnażanie się. Często brakuje nam jednak wiedzy na temat tego, w jaki sposób możemy zmaksymalizować wytwarzanie produktów końcowych przez dany mikroorganizm. Aby obejść ten problem, musimy tworzyć setki lub tysiące wariantów tego samego mikroorganizmu i dokonywać ich indywidualnej charakteryzacji, co wymaga olbrzymich inwestycji finansowych, zaangażowania dużej liczby pracowników oraz przede wszystkim czasu”, wyjaśnia Jan Marienhagen, kierownik wydziału Syntetycznych Fabryk Komórkowych niemieckiego Ośrodka Badawczego Jülich. W celu rozwiązania tych problemów, Marienhagen rozpoczął w maju 2015 roku realizację finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) projektu CUSTOM-SENSE (Custom-made biosensors – Accelerating the transition to a bio-based economy). „Nasz projekt ma dwa kluczowe cele”, wyjaśnia badacz. „Pierwszym z nich jest ustalenie, czy możemy projektować i budować bioczujniki analizujące pojedyncze komórki w celu określenia ich możliwości produkcyjnych. Drugim z kolei jest opracowanie rozwiązania pozwalającego na ocenę zdolności produkcyjnych milionów komórek bez potrzeby ich hodowli”.
Bioczujniki i urządzenia śledzące
Mówiąc dokładniej, naukowcy skupieni wokół projektu CUSTOM-SENSE pracują nad szeregiem bioczujników wykrywających substancje chemiczne będące przedmiotem ich zainteresowania bezpośrednio w pojedynczych komórkach. Każdy czujnik poszukuje określonego związku, a po jego wykryciu wymusza fluorescencję mikroorganizmu w miarę jego wytwarzania. W rezultacie im więcej danego związku wytwarza mikroorganizm, tym mocniej świeci. Oczywiście analizowanie komórek jedna po drugiej byłoby niemożliwe, w związku z czym Marienhagen i jego zespół postawili na połączenie bioczujników z maszynami do sortowania komórek aktywowanych fluorescencyjnie (FACS). „Dzięki temu jesteśmy w stanie analizować nawet 80 000 komórek na sekundę. Przy tak dużych możliwościach badania komórek, koncepcja wytwarzania tysięcy bądź nawet milionów wariantów w celu analizy, w jaki sposób każda zmiana wpływa na wytwarzanie pożądanych produktów przestała być wyłącznie przedmiotem marzeń. Stała się rzeczywistością. W praktyce oznacza to nie tylko możliwość otrzymywania doskonałych szczepów produkcyjnych, ale także rozszerzenia wiedzy na temat metabolizmu mikroorganizmów”, zauważa badacz. Zespół skupiony wokół projektu opracował już szereg bioczujników wykrywających aminokwasy i związki aromatyczne wykorzystywane w biotechnologii i połączył je z maszyną FACS, by w ten sposób przeprowadzać szeroko zakrojone analizy. Pomimo tego, że projekt dobiegnie końca dopiero w kwietniu 2021 roku, niektóre dotychczasowe odkrycia już teraz zwracają uwagę społeczności. „Jednym z najważniejszych osiągnięć było uzyskanie możliwości zwiększenia specyficzności bioczujnika, co w praktyce oznaczało, że byliśmy w stanie wyłączyć możliwość wykrywania jednej substancji bez wpływu na inne produkty. Nasz zespół jest pierwszym na świecie, któremu udało się to zrealizować w praktyce, a nasze badania w tym zakresie zostały ostatnio opublikowane w prestiżowym czasopiśmie »Nature Communications«. Opracowaliśmy również całą rodzinę bioczujników przeznaczonych do wykrywania zróżnicowanych związków aromatycznych – każdy z nich może zostać połączony z maszyną FACS i wykorzystany właśnie w ten sposób”, dodaje Marienhagen. W ciągu najbliższych kilku miesięcy zespół planuje kontynuować prace nad algorytmami komputerowymi służącymi do badania zmian w 100 różnych wariantach szczepów usprawnionych dzięki bioczujnikom opracowanym w ramach projektu. Takie badanie przyczyni się do lepszego zrozumienia metabolizmu mikroorganizmów i doprowadzi do ich zwiększonego wykorzystania w przemyśle, co przełoży się na realizację wizji bardziej ekologicznego europejskiego sektora przemysłowego.
Słowa kluczowe
CUSTOM-SENSE, substancje chemiczne, przemysł, mikroorganizmy, bioczujniki
