Bakterier til fremtidens klimaneutrale kemikalier

Forskere ved ETH Zürich har konstrueret bakterier i laboratoriet til effektivt at bruge methanol. Disse bakteriers metabolisme kan nu udnyttes til at producere værdifulde produkter, som i øjeblikket fremstilles af den kemiske industri ud fra fossile brændstoffer.

For at producere forskellige kemikalier såsom plastik, farvestoffer eller kunstige smagsstoffer er den kemiske industri i øjeblikket stærkt afhængig af fossile ressourcer såsom råolie. "Globalt forbruger den 500 millioner tons om året, eller mere end en million tons om dagen," siger Julia Vorholt, professor ved Institut for Mikrobiologi ved ETH Zürich.

"Da disse kemiske omdannelser er energikrævende, er den sande CO₂ den kemiske industris fodaftryk er endda seks til 10 gange større, hvilket svarer til omkring fem procent af de samlede emissioner globalt." Hun og hendes team leder efter måder at reducere den kemiske industris afhængighed af fossile brændstoffer.

Grøn methanol

Bakterier, der lever af methanol, kendt som methylotrofer, er i centrum for disse bestræbelser. Methanol, der kun indeholder et enkelt kulstofatom, er et af de enkleste organiske molekyler og kan syntetiseres ud fra drivhusgassen kuldioxid og vand. Hvis energien til denne syntesereaktion kommer fra vedvarende kilder, kaldes methanolen "grøn".

"Der er naturlige methylotrofer, men det er stadig svært at bruge dem industrielt på trods af en betydelig forskningsindsats," siger Michael Reiter, postdoktor i Vorholts forskningsgruppe, som i stedet arbejder med den bioteknologisk velkendte modelbakterie Escherichia coli. Vorholts team har forfulgt ideen om at udstyre modelbakterien, der vokser på sukker, med evnen til at omsætte methanol i flere år.

Fuldstændig omstrukturering af stofskiftet

"Det er en stor udfordring, fordi det kræver en fuldstændig omstrukturering af cellens stofskifte," siger Vorholt. I første omgang simulerede forskerne denne ændring ved hjælp af computermodeller. Baseret på disse simuleringer valgte de to gener at fjerne og tre nye gener at introducere. "Som et resultat kunne bakterierne optage methanol, dog kun i små mængder," siger Reiter.

De fortsatte med at dyrke bakterierne under særlige forhold i laboratoriet i mere end et år, indtil mikroberne kunne producere alle cellekomponenter fra methanol. I løbet af omkring 1.000 flere generationer blev disse syntetiske methylotrofer stadig mere effektive, og til sidst fordobles de hver fjerde time, når de kun blev fodret med methanol. "Den forbedrede væksthastighed gør bakterierne økonomisk interessante," siger Vorholt.

Optimering gennem tab af funktion

Som Vorholts team beskriver i deres Naturkatalyse papir, er flere tilfældigt forekommende mutationer ansvarlige for den øgede effektivitet af methanoludnyttelse. De fleste af disse mutationer resulterede i tab af funktion af forskellige gener.

Dette er overraskende ved første øjekast, men ved nærmere eftersyn viser det sig, at cellerne kan spare energi takket være genernes tab af funktion. For eksempel forårsager nogle mutationer de omvendte reaktioner af vigtige biokemiske reaktioner til at mislykkes. "Dette fjerner overflødige kemiske omdannelser og optimerer den metaboliske flux i cellerne," skriver forskerne.

For at udforske potentialet af syntetiske methylotrofer til bioteknologisk produktion af industrielt relevante bulkemikalier, har Vorholt og hendes team udstyret bakterierne med yderligere gener til fire forskellige biosynteseveje. I deres undersøgelse viser de nu, at bakterierne faktisk producerede de ønskede forbindelser i alle tilfælde.

Alsidig produktionsplatform

For forskerne er dette et klart bevis på, at deres konstruerede bakterier kan levere det, der oprindeligt blev lovet:Mikroberne er en slags meget alsidig produktionsplatform, hvori biosyntesemoduler kan indsættes i henhold til "plug-and-play"-princippet, hvilket giver anledning til bakterierne til at omdanne methanol til ønskede biokemiske stoffer.

Forskerne mangler dog stadig at øge udbyttet og produktiviteten markant for at muliggøre en økonomisk rentabel anvendelse af bakterierne. Vorholt og hendes team modtog for nylig en innovationsfond "for yderligere at udvide planer mod applikationer og for at vælge produkter, der skal fokuseres på først," siger Vorholt.

Når Reiter fortæller om, hvordan dyrkningen af ​​bakterier i bioreaktorer kan optimeres, bliver han fyldt med entusiasme. "I betragtning af udfordringerne ved klimaændringer er det klart, at der er behov for alternativer til fossile ressourcer," siger han.

"Vi er ved at udvikle en teknologi, der ikke udleder yderligere CO₂ ud i atmosfæren," siger Reiter. Og da de syntetiske methylotrofer, udover grøn methanol, ikke kræver yderligere kulstofkilder til deres vækst og produkter, tillader de "at producere vedvarende kemikalier, som ikke belaster miljøet."

Flere oplysninger: Michael A. Reiter et al., En syntetisk methylotrofisk Escherichia coli som et chassis til bioproduktion fra methanol, Naturkatalyse (2024). DOI:10.1038/s41929-024-01137-0

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af ETH Zürich