Zürichis õpetati bakterid eriti jõuliselt tselluloosi tootma – kas uus paberitööstus on sündimas?

Bakteriaalne tselluloos märjas olekus. Foto: Peter Rüegg / ETH Zürich

Bakterid toodavad materjale, mis on inimestele huvipakkuvad, näiteks tselluloosi, siidi ja mineraale. Selle tootmisviisi eeliseks on jätkusuutlikkus, kuna see toimub toatemperatuuril ja vsilahuses. Puuduseks on aga see, et protsess võttis aega ja andnuks tööstuslikuks kasutamiseks liiga väikesi koguseid. Nüüd on aga selles vallas muutus toimunud.

Juba mõnda aega on püütud muuta mikroorganismid elavateks mini-vabrikuteks, mis suudavad kiiremini toota suuremaid koguseid soovitud toodet. See nõuab kas sihipärast sekkumist genoomi või kõige sobivamate bakteritüvede kasvatamist.

Uue lähenemisviisi esitab nüüd Zürichi ETH materjaliteaduse professori André Studarti juhitud uurimisrühm, kasutades tselluloosi tootvat bakterit Komagataeibacter sucrofermentans. Järgides loodusliku valiku evolutsiooni põhimõtteid, võimaldab uus meetod teadlastel toota kümneid tuhandeid bakteri variante väga kiiresti ja valida need tüved, mis toodavad kõige rohkem tselluloosi.

K. sucrofermentans toodab looduslikult kõrge puhtusastmega tselluloosi, mida on vaja biomeditsiiniliste rakenduste ning pakendimaterjalide ja tekstiilide tootmiseks. Kaheks tselluloosi omaduseks on see, et see toetab haavade paranemist ja hoiab ära nakkusi. Julie Laurent, doktorant Studarti rühmas ja äsja teadusajakirjas PNAS avaldatud uuringu esimene autor, selgitab: «Bakterid kasvavad aeglaselt ja toodavad piiratud kogustes tselluloosi. Seetõttu pidime leidma viisi nende tootlikkuse.»

Tema väljatöötatud lähenemise abil on õnnestunud toota väike arv Komagataeibacteri variante, mis genereerivad kuni seitsekümmend protsenti rohkem tselluloosi kui nende algne vorm.

Evolutsiooni kiirendamine UV-valgusega

Materjaliteadlane pidi esmalt looma uusi variatsioone looduslikult esinevast metsikust bakteristi. Selleks kiiritas Julie Laurent bakterirakke UV-C valgusega, mis kahjustab bakteri DNAs juhuslikke piirkondi. Seejärel paigutas ta bakterid pimedasse ruumi, et vältida DNA kahjustuste paranda

Miniatuurse seadme abil kapseldas ta iga bakteriraku pisikesse toitainelahuse tilka ja lasi rakkudel teatud aja jooksul tselluloosi toota. Pärast inkubatsiooniperioodi kasutas ta fluorestsentsmikroskoopiat, et analüüsida, millised rakud olid palju tselluloosi tootnud ja millised mitte või väga vähe.

ETH keemiku Andrew De Mello rühma väljatöötatud sorteerimissüsteemi abil selekteeris Studarti meeskond automaatselt välja need rakud, mis olid evolutsiooni käigus hakanud tootma erakordselt suures koguses tselluloosi. See sortimissüsteem on täielikult automatiseeritud ja väga kiire. Mõne minuti jooksul saab see skaneerida laseriga pool miljonit tilka ja sorteerida välja need, mis sisaldavad kõige rohkem tselluloosi. Alles jäi ainult neli, mis tootsid 50–70 protsenti rohkem tselluloosi kui metsiku liini bakterid seda tegid.

K. sucrofermentansi rakud võivad kasvada ja toota tselluloosi kasvades mattidena klaasanumates õhu ja vee piiril. Selline matt kaalub tekkinult kahe kuni kolme milligrammi vahel ja on umbes 1,5 millimeetrit paks. Uute väljaarenenud variantide tselluloosimatid on peaaegu kaks korda raskemad ja paksemad kui bakterite metsikust liinist tekkiv.

Julie Laurent ja tema kolleegid analüüsisid ka neid nelja varianti geneetiliselt, et teada saada, millised geenid olid UV-C valguse poolt muutunud ja kuidas need muutused viisid tselluloosi ületootmiseni. Kõigil neljal variandil oli sama mutatsioon samas geenis. See geen kirjeldab proteiini lagundavat ensüümi – proteaasi. Materjaliteadlase üllatuseks ei olnud aga geenid, mis otseselt kontrollivad tselluloosi tootmist, muutunud. «Me kahtlustame, et see proteaas lagundab tselluloosi tootmist reguleerivaid valke. Ilma selle regulaatorita ei saa aga rakk enam protsessi peatada,» selgitas teadlane.

Patendid on ootel

Uus lähenemine on mitmekülgne ja seda saab rakendada bakteritele, mis toodavad muid materjale. Sellised lähenemisviisid töötati algselt välja bakterite loomiseks, mis toodavad teatud valke või ensüüme. ETH professor André Studart ütleb, et ollakse esimesed, kes kasutavad sellist lähenemisviisi, et parandada mitte-valguliste materjalide tootmist.

Teadlased on taotlenud patenti lähenemisviisile ja muteerunud bakterivariantidele.

Järgmises etapis soovivad nad teha koostööd bakteriaalse tselluloosi tootmise ettevõtetega, et testida uut mikroorganismi tõelistes tööstuslikes tingimustes.

Allikas: EurekAlert