Mažos mielės, didelė revoliucija: iš žemės ūkio atliekų – vaistai, kuras ir plastikas ()
Mielės jau tūkstančius metų naudojamos alaus ir vyno gamybai bei duonos minkštumui ir skoniui suteikti. Tai mažos gamtos gamyklos, kurios gali maitintis vaisiuose ir grūduose esančiu cukrumi bei kitomis maistinėmis medžiagomis ir iš jų gaminti alkoholį gėrimams bei anglies dioksidą duonos kildinimui.
© Your Best Digs (CC BY 2.0) | https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spoon_with_active_dry_yeast_for_baking_bread.jpg
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Dabar Tufts universiteto Inžinerijos mokyklos mokslininkai praneša, kad sukūrė modifikuotas mieles, kurios gali maitintis įvairesniomis medžiagomis, kurių daugelis gali būti gaunamos iš žemės ūkio šalutinių produktų, kurių mes nenaudojame – lapų, luobelių, stiebų, net medžio drožlių, dažnai vadinamų „atliekų biomase“.
Kodėl svarbu sukurti mieles, kurios gali maitintis šiais žemės ūkio atliekomis?
Pastaraisiais metais mokslininkai modifikavo mieles, kad galėtų gaminti kitus naudingus produktus, pavyzdžiui, vaistus ir biokurą. Tai protingas būdas leisti gamtai atlikti mūsų darbą taip, kad gamybai nereikėtų naudoti toksinių cheminių medžiagų. Ši technologija, vadinama „sintetine biologija“, dar yra jauna, tačiau žvelgiant į ateitį, kai biosintetinė gamyba iš mielių veiks labai dideliu mastu, mums reikia maitinti mieles kuo nors kitu nei tai, ką patys valgome.
Mielių modifikavimas, kad jos augtų biomasės cukruje
Tufts komandos sukurta nauja mielė gali maitintis cukrumi, pavyzdžiui, ksilozė, arabinozė ir celobiozė, kurie gali būti ekstrahuojami iš nevirškinamų medienos dalių, kurios dažnai išmetamos po derliaus nuėmimo, pavyzdžiui, kukurūzų stiebai, luobelės ir lapai bei kviečių stiebai. Kasmet pagaminama apie 1,3 milijardo tonų šių atliekų biomasės, o tai yra daugiau nei pakankamai cukrų, kad būtų galima vystyti didžiulę mielių biosintezės pramonę.
|
„Jei galime priversti mieles maitintis atliekų biomase, galime sukurti biosintezės pramonę, kurios anglies pėdsakas yra mažas“, – sakė chemijos ir biologijos inžinerijos docentas Nikhil Nair. „Pavyzdžiui, degindami mielių pagamintą biokurą, mes išskiriame daug anglies dioksido, bet tas anglies dioksidas kitais metais vėl absorbuojamas į pasėlius, kuriais mielės maitinasi, kad pagamintų daugiau biokuro, ir taip toliau.“
Minimalus inžinerijos darbas maksimaliam rezultatui pasiekti
Nair ir jo komanda manė, kad geriausias būdas efektyviai suvartoti atliekų biomasės cukrų galėtų būti modifikuoti esamą genetinį „prietaisų skydą“, kurį mielės naudoja galaktozės, dažnai pieno produktuose randamo cukraus, suvartojimui reguliuoti.
Prietaisų skydas, vadinamas regulonu, apima genus, kurie aptinka cukraus buvimą, ir aktyvuoja fermentus, kurie chemiškai skaido cukrų, kad jo anglies ir deguonies komponentai galėtų būti pertvarkyti į naujus komponentus. Nauji komponentai daugiausia yra mažos molekulės ir baltymai, kurių mielėms reikia išgyventi, bet jie taip pat gali būti nauji produktai, kuriuos mokslininkai galėjo įterpti į mieles.
Ankstesniame tyrime mokslininkai modifikavo galaktozės reguloną taip, kad jutiklis aptiktų biomasės cukrų ksilozę ir aktyvuotų fermentus, kurie apdoroja ksilozę, o ne galaktozę.
„Mielių auginimas ksilozėje buvo svarbus žingsnis į priekį“, – sakė Sean Sullivan, Nair laboratorijos magistrantas, kuris bendrai vadovavo naujausiam tyrimui, – „tačiau skirtingų mielių organizmų modifikavimas, kad jie augtų kiekviename biomasės cukruje, nėra geriausias sprendimas. Mes norėjome sukurti vieną mielių organizmą, kuris galėtų maitintis visais arba beveik visais biomasės cukrumis“.
Sullivan atliko tik nedaug pakeitimų regulone, kuris jau buvo sukurtas ksilozės atžvilgiu, pakeisdamas jutiklio baltymą, kad jis labiau priimtų ksilozę, arabinozę ir celobiozę. Be kelių nedidelių pakeitimų, naujasis regulonas leido mielių organizmui augti šių trijų cukrų pagrindu tokiu pačiu greičiu, kaip mielės, augančios natūralių cukrų – gliukozės ir galaktozės – pagrindu.
„Naudodami natūralius reguliacinius tinklus, susijusius su ląstelių augimu ir išlikimu, galėjome taikyti minimalų inžinerinį metodą cukraus suvartojimui modifikuoti ir optimizuoti“, – sakė Vikas Trivedi, doktorantas, kuris kartu vadovavo tyrimui. „Taip jau yra, kad mielės turi mechanizmą, leidžiantį augti ne natūraliuose cukruose, jei tik pritaikome jutiklius ir regulonus tiems cukrams atpažinti.“
Gamybos galutinio etapo tobulinimas
Mielių pertvarkymas, kad jos galėtų augti ant atliekų biomasės cukrų, sudaro sąlygas tobulinti biosintezuotų produktų, tarp kurių yra tokie vaistai kaip insulinas, žmogaus augimo hormonas ir antikūnai, gamybą. Mielės taip pat buvo modifikuotos, kad gamintų vakcinas, išreiškiančias mažus virusų fragmentus, kurie stimuliuoja imuninę sistemą.
Iš tiesų, mielės gali būti modifikuotos taip, kad gamintų natūralius junginius, naudojamus vaistams gaminti, kuriuos kitaip sunku gauti, nes jie turi būti ekstrahuojami iš retų augalų. Tai yra skopolaminas, naudojamas judėjimo ligos ir pooperacinio pykinimo simptomams malšinti, atropinas, naudojamas Parkinsono ligos pacientams gydyti, ir artemisininas, naudojamas maliarijai gydyti.
Etanolis yra gerai žinomas biokuras, gaminamas iš mielių, tačiau mokslininkai taip pat modifikavo šį organizmą, kad jis gamintų kitus kurus, pavyzdžiui, izobutanolį ir izopentanolį, kurie gali suteikti daugiau energijos už litrą nei etanolis.
Biotechnologinėmis priemonėmis modifikuotos mielės taip pat gali gaminti bioplastiko sudedamąsias dalis, pavyzdžiui, polilaktinę rūgštį, kuri vėliau gali būti naudojama įvairių produktų, įskaitant pakavimo medžiagas ir vartojimo prekes, gamybai, nenaudojant naftos išteklių.
„Kol mokslininkai toliau kuria naujus produktus iš mielių, mes ruošiame organizmą efektyviai augti naudojant žemės ūkio atliekų biomasę, uždarant anglies ciklą, kuris iki šiol buvo neįmanomas degalų, vaistų ir plastikų gamybai“, – sakė Nair.
Nuoroda: https://now.tufts.edu/2023/07/18/bioengineered-yeast-feed-agricultural-waste
Autorius: Mike Silver
Tekstą parengė: Erikas Abrutis
