Blåt pigment fra manipulerede svampe kan hjælpe med at gøre tekstilindustrien grøn

Tit, resultaterne af grundlæggende videnskabelig forskning er mange skridt væk fra et produkt, der umiddelbart kan bringes til offentligheden. Men en gang imellem mulighed kommer tidligt til syne.

Sådan var tilfældet for et team fra Department of Energy's Joint BioEnergy Institute (JBEI), hvis tænkning ud af boksen, når man undersøgte mikrobe-baseret bioproduktion, førte direkte til en miljøvenlig produktionsplatform for et blåt pigment kaldet indigoidin. Med en lignende levende mættet nuance som syntetisk indigo, et farvestof, der bruges rundt om i verden til at farve denim og mange andre ting, holdets svampeproducerede indigoidin kunne give et alternativ til en stort set miljøvenlig proces.

"Oprindeligt hentet fra planter, mest indigo, der bruges i dag, er syntetiseret, "sagde hovedforsker Aindrila Mukhopadhyay, der leder Host Engineering -teamet på JBEI. "Disse processer er effektive og billige, men de kræver ofte giftige kemikalier og genererer en masse farligt affald. Med vores arbejde har vi nu en måde til effektivt at producere et blåt pigment, der bruger billig, bæredygtige kulstofkilder i stedet for barske forstadier. Og indtil videre, platformen tjekker mange af boksene i sit løfte om at blive skaleret op til kommercielle markeder. "

Vigtigere, disse kommercielle markeder har allerede en betydelig efterspørgsel efter, hvad forskerne håber at levere. Efter et møde med mange vigtige interessenter i tekstilindustrien, teamet fandt ud af, at mange virksomheder er ivrige efter mere bæredygtige pigmenter, fordi kunderne i stigende grad er klar over virkningerne af konventionelle farvestoffer. "Det ser ud til at være et skift i samfundet i retning af at ville have bedre processer til at skabe dagligdags produkter, sagde Maren Wehrs, en kandidatstuderende ved JBEI og første forfatter af papiret, der beskriver opdagelsen, nu udgivet i Grøn kemi . "Det er præcis, hvad JBEI forsøger at gøre, ved hjælp af værktøjer afledt af biologiske systemer - det er bare sådan, at vores konstruerede biologiske platform fungerede meget godt. "

Historien begyndte, da teamet satte sig for at teste, hvor godt en hårdfør svampeart kaldet Rhodosporidium toruloides kunne udtrykke nonribosomale peptidsyntetaser (NRPS'er) - store enzymer, som bakterier og svampe bruger til at samle vigtige forbindelser. Forskerne undersøgte denne svampes NRPS -ekspressionsevne ved at indsætte en bakteriel NRPS i dens genom. De valgte en NRPS, der omdanner to aminosyremolekyler til indigoidin - et blåt pigment - for at gøre det let at se, om stamteknikken havde virket. Helt enkelt, da det gjorde, kulturen ville blive blå.

Går ind i dette eksperiment, indigoidine i sig selv var ikke hovedinteressen for holdet. I stedet, de var fokuseret på det større billede:at undersøge, hvordan samlebåndets funktionalitet af disse enzymer kunne udnyttes til at skabe biosyntetiske fremstillingsveje til værdifulde organiske forbindelser, såsom biobrændstoffer, og vurdering af, om svampene repræsenterer en god værtsart til fremstilling af disse forbindelser eller ej. Men da de dyrkede deres konstruerede stamme, og så, hvor blå kulturen var, de vidste, at der var sket noget utroligt.

Med en gennemsnitlig titer på 86 gram indigoidin pr. Liter bioreaktorkultur, udbyttet af stammen - som de kaldte Bluebelle - er langt det højeste, der nogensinde er blevet rapporteret. (Andre forskningsgrupper, herunder JBEI -teamet, har syntetiseret indigoidin ved hjælp af forskellige værtsmikrober.) Tilføjelse af vægten af ​​præstationen, det rekordstore udbytte blev opnået fra en kulturproces, der bruger næringsstoffer og forstadier, der kommer fra bæredygtigt plantemateriale. Tidligere veje krævede betydeligt dyrere input, men alligevel udgjorde omkring en tiendedel af mængden af ​​indigoidin.

Ud over de potentielle anvendelser af indigoidin, undersøgelsen lykkedes med sit oprindelige mål om at tilvejebringe en potentiel produktionsvej for andre NRPS'er - noget der er meget mere værdifuldt end noget enkelt produkt. Disse komplekse enzymer har flere underenheder, der hver udfører en tydelig og forudsigelig handling ved at samle en forbindelse ud af mindre molekyler. Forskere ved JBEI og videre er ivrige efter at konstruere enzymer, der bruger NRPS'ers Lego-bloklignende funktioner til at producere avancerede bioprodukter, der i øjeblikket er svære at lave.

"En stor udfordring er at få en mikrobe til effektivt at udtrykke sådanne enzymer. Denne vært har et stort potentiale til at opfylde dette behov, "sagde Mukhopadhyay.

Holdets næste trin vil være at karakterisere, hvordan indigoidin kunne bruges som farvestof og at grave dybere i R. toruloides 'muligheder.