Cyanobakterier som grønne katalysatorer i bioteknologi

Det viser forskere fra TU Graz og Ruhr University Bochum i tidsskriftet ACS katalyse hvordan den katalytiske aktivitet af cyanobakterier, også kendt som blågrønalger, kan øges markant. Dette bringer bioteknologisk og dermed miljøvenlig anvendelse et stort skridt nærmere.

Cyanobakterier, på trods af, at de farvede vandgrønt gennem deres specielle pigmenter, er i daglig tale kendt som "blågrønne alger, " og omdanner lysenergi til kemisk energi særligt effektivt takket være deres højaktive fotosyntetiske celler. Dette gør dem attraktive til bioteknologisk anvendelse, hvor de kunne bruges som miljøvenlige og let tilgængelige biokatalysatorer til fremstilling af nye kemikalier ved hjælp af specifikt indførte enzymer.

Begrænset lys tilgængelighed

Hvad lyder godt i teorien, står stadig over for forhindringer i den praktiske storstilede teknologiske implementering. En afgørende begrænsende faktor er i øjeblikket tilgængeligheden af ​​lys, som Robert Kourist fra Institute of Molecular Biotechnology ved Graz University of Technology forklarer:"Når cyanobakterier dyrkes tæt, dvs. i høje koncentrationer, kun de celler, der er placeret på ydersiden, får nok lys. Indenfor er det ret mørkt. Dette betyder, at mængden af ​​katalysator ikke kan øges efter behag. Efter en celletæthed på nogle få gram pr. liter, den fotosyntetiske aktivitet og dermed cellernes produktivitet falder kraftigt. Dette er naturligvis en betydelig ulempe for bioteknologisk produktion i stor skala." Til sammenligning tidligere etablerede biokatalysatorer såsom gær kan anvendes med celletætheder på 50 gram pr. liter og mere. De etablerede produktionsorganismer har den store ulempe, at de er afhængige af landbrugsprodukter som grundlag for vækst og dermed forbruger mange ressourcer. "Algebaserede katalysatorer kan dyrkes fra vand og CO ₂ , så de er 'grønne' i en dobbelt forstand. Af denne grund, intensive bestræbelser er i gang for at øge den katalytiske ydeevne af cyanobakterier, " sagde Kourist.

Bedre udnyttelse af tilgængeligt lys

Sammen med Ruhr University Bochum og det finske universitet i Turku, det er nu lykkedes algearbejdsgruppen på TU Graz at øge netop denne katalytiske ydeevne ved specifikt at omdirigere den fotosyntetiske elektronstrøm til den ønskede katalytiske funktion. "For første gang, vi var i stand til at måle tilførslen af ​​fotosyntetisk energi direkte i cellerne på en tidsbestemt måde, så vi var i stand til at identificere flaskehalse i stofskiftet, " forklarer Marc Nowaczyk fra formanden for plantebiokemi ved Ruhr-universitetet i Bochum. "Vi har slukket for et system i cyanobakteriens genom, der skal beskytte cellen mod svingende lys. Dette system er ikke nødvendigt under kontrollerede dyrkningsforhold, men forbruger fotosyntetisk energi. Energi, som vi foretrækker at lægge i målreaktionen, " forklarer Hanna Büchsenschütz, ph.d.-studerende ved TU Graz og førsteforfatter til undersøgelsen. På denne måde problemet med lav produktivitet af cyanobakterier på grund af høje celletætheder kan løses. "For at sige det på en anden måde, vi kan kun bruge en vis mængde celler. Derfor skal vi få cellerne til at gå hurtigere. Vi har udviklet en metode ved hjælp af såkaldt metabolic engineering, der gør cyanobakterier meget mere modne til bioteknologisk anvendelse, " sagde Kourist.

Ud over at øge produktiviteten af ​​selve cellen gennem målrettede indgreb på genniveau, Graz-forskerne arbejder også på nye koncepter for algedyrkningsprocessen. En tilgang er at indføre lyskilder direkte i cellesuspensionen, for eksempel via mini-LED'er. Der eksperimenteres også med nye geometrier. Dermed, cyanobakterier i form af indkapslede små kugler, såkaldte "perler, " kan absorbere mere lys generelt. Robert Kourist kommenterer:"Det er meget vigtigt at udvikle alle foranstaltninger på vejen til storstilet industriel anvendelse af algebaserede biokatalysatorer på en integreret måde. Dette er kun muligt med tværfaglig forskning, der ser på et enzyms funktion på samme måde, som vi ser på manipulation i den fotosyntetiske celle."