Wetenschap
Bacteriën voor klimaatneutrale chemicaliën van de toekomst
Onderzoekers van ETH Zürich hebben in het laboratorium bacteriën ontwikkeld om methanol efficiënt te gebruiken. Het metabolisme van deze bacteriën kan nu worden benut om waardevolle producten te produceren die momenteel door de chemische industrie worden gemaakt uit fossiele brandstoffen.
Voor de productie van verschillende chemicaliën, zoals kunststoffen, kleurstoffen of kunstmatige smaakstoffen, is de chemische industrie momenteel sterk afhankelijk van fossiele hulpbronnen zoals ruwe olie. "Wereldwijd verbruikt het 500 miljoen ton per jaar, of meer dan een miljoen ton per dag", zegt Julia Vorholt, professor aan het Instituut voor Microbiologie van de ETH Zürich.
"Aangezien deze chemische omzettingen energie-intensief zijn, komt de echte CO2 De voetafdruk van de chemische industrie is zelfs zes tot tien keer groter en bedraagt ongeveer vijf procent van de totale uitstoot wereldwijd.” Zij en haar team zoeken naar manieren om de afhankelijkheid van de chemische industrie van fossiele brandstoffen te verminderen.
Groene methanol
Bacteriën die zich voeden met methanol, bekend als methylotrofen, staan centraal in deze inspanningen. Methanol bevat slechts één enkel koolstofatoom en is een van de eenvoudigste organische moleculen. Het kan worden gesynthetiseerd uit het broeikasgas koolstofdioxide en water. Als de energie voor deze synthesereactie uit hernieuwbare bronnen komt, wordt de methanol "groen" genoemd.
"Er zijn natuurlijke methylotrofen, maar het industrieel gebruik ervan blijft ondanks aanzienlijke onderzoeksinspanningen moeilijk", zegt Michael Reiter, een postdoctoraal onderzoeker in de onderzoeksgroep van Vorholt, die in plaats daarvan werkt met de biotechnologisch goed begrepen modelbacterie Escherichia coli. Het team van Vorholt is al enkele jaren bezig met het idee om de modelbacterie, die op suiker groeit, uit te rusten met het vermogen om methanol te metaboliseren.
Volledige herstructurering van de stofwisseling
"Dit is een grote uitdaging omdat het een volledige herstructurering van het metabolisme van de cel vereist", zegt Vorholt. Aanvankelijk simuleerden de onderzoekers deze verandering met behulp van computermodellen. Op basis van deze simulaties kozen ze twee genen om te verwijderen en drie nieuwe genen om te introduceren. "Hierdoor konden de bacteriën methanol opnemen, zij het in kleine hoeveelheden", zegt Reiter.
Ze bleven de bacteriën ruim een jaar onder speciale omstandigheden in het laboratorium kweken totdat de microben alle celcomponenten uit methanol konden produceren. In de loop van ongeveer duizend generaties werden deze synthetische methylotrofen steeds efficiënter en verdubbelden ze uiteindelijk elke vier uur als ze alleen met methanol werden gevoed. "De verbeterde groeisnelheid maakt de bacterie economisch interessant", zegt Vorholt.
Optimalisatie door functieverlies
Zoals het team van Vorholt beschrijft in hun Natuurkatalyse Op papier zijn verschillende willekeurig voorkomende mutaties verantwoordelijk voor de verhoogde efficiëntie van het gebruik van methanol. De meeste van deze mutaties resulteerden in het functieverlies van verschillende genen.
Dit is op het eerste gezicht verrassend, maar bij nadere beschouwing blijkt dat de cellen energie kunnen besparen dankzij het functieverlies van de genen. Sommige mutaties zorgen er bijvoorbeeld voor dat de omgekeerde reacties van belangrijke biochemische reacties mislukken. "Dit elimineert overbodige chemische omzettingen en optimaliseert de metabolische flux in de cellen", schrijven de onderzoekers.
Om het potentieel van synthetische methylotrofen voor de biotechnologische productie van industrieel relevante bulkchemicaliën te onderzoeken, hebben Vorholt en haar team de bacterie uitgerust met extra genen voor vier verschillende biosynthetische routes. In hun onderzoek laten ze nu zien dat de bacteriën inderdaad in alle gevallen de gewenste stoffen aanmaakten.
Veelzijdig productieplatform
Voor de onderzoekers is dit een duidelijk bewijs dat hun gemanipuleerde bacteriën kunnen waarmaken wat oorspronkelijk was beloofd:de microben zijn een soort zeer veelzijdig productieplatform waarin biosynthesemodules kunnen worden ingevoegd volgens het ‘plug-and-play’-principe. de bacteriën om methanol om te zetten in gewenste biochemische stoffen.
De onderzoekers moeten de opbrengst en productiviteit echter nog steeds aanzienlijk verhogen om een economisch levensvatbaar gebruik van de bacteriën mogelijk te maken. Vorholt en haar team hebben onlangs een innovatiefonds ontvangen "om de plannen verder uit te breiden naar toepassingen en om producten te selecteren waar we ons eerst op moeten concentreren", zegt Vorholt.
Als Reiter vertelt hoe de kweek van bacteriën in bioreactoren geoptimaliseerd kan worden, is hij enthousiast. "Gezien de uitdagingen van de klimaatverandering is het duidelijk dat alternatieven voor fossiele hulpbronnen nodig zijn", zegt hij.
"We ontwikkelen een technologie die geen extra CO2 uitstoot in de atmosfeer", zegt Reiter. En aangezien de synthetische methylotrofen, naast groene methanol, geen extra koolstofbronnen nodig hebben voor hun groei en producten, maken ze het mogelijk "hernieuwbare chemicaliën te produceren die het milieu niet belasten."