Vaak, de bevindingen van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek zijn nog vele stappen verwijderd van een product dat direct voor het publiek kan worden gebracht. Maar af en toe, gelegenheid doet zich al vroeg voor.

Dat was het geval voor een team van het Joint BioEnergy Institute (JBEI) van het Department of Energy, wiens out-the-box-denken bij het onderzoeken van op microben gebaseerde bioproductie rechtstreeks leidde tot een milieuvriendelijk productieplatform voor een blauw pigment genaamd indigoidine. Met een vergelijkbare levendig verzadigde tint als synthetisch indigo, een kleurstof die over de hele wereld wordt gebruikt om denim en vele andere items te kleuren, het door schimmels geproduceerde indigoidine van het team zou een alternatief kunnen bieden voor een grotendeels milieuonvriendelijk proces.

"Oorspronkelijk gewonnen uit planten, de meeste indigo die tegenwoordig wordt gebruikt, is gesynthetiseerd, " zei hoofdonderzoeker Aindrila Mukhopadhyay, die het Host Engineering-team bij JBEI leidt. "Deze processen zijn efficiënt en goedkoop, maar ze vereisen vaak giftige chemicaliën en genereren veel gevaarlijk afval. Met ons werk hebben we nu een manier om efficiënt een blauw pigment te produceren dat goedkope, duurzame koolstofbronnen in plaats van agressieve voorlopers. En zo ver, het platform checkt veel van de vakjes in zijn belofte om opgeschaald te worden voor commerciële markten."

belangrijk, deze commerciële markten hebben al een aanzienlijke vraag naar wat de wetenschappers hopen te leveren. Na een ontmoeting met veel belangrijke belanghebbenden in de textielindustrie, het team ontdekte dat veel bedrijven verlangen naar duurzamere pigmenten, omdat klanten zich steeds meer bewust zijn van de effecten van conventionele kleurstoffen. "Er lijkt een verschuiving in de samenleving plaats te vinden in de richting van betere processen voor het maken van alledaagse producten, " zei Maren Wehrs, een afgestudeerde student aan JBEI en eerste auteur van het artikel dat de ontdekking beschrijft, nu gepubliceerd in Groene chemie . "Dat is precies wat JBEI probeert te doen, met behulp van tools die zijn afgeleid van biologische systemen - het toeval wil dat ons geconstrueerde biologische platform heel goed werkte."

Het verhaal begon toen het team begon te testen hoe goed een winterharde schimmelsoort, Rhodosporidium toruloides genaamd, niet-ribosomale peptidesynthetasen (NRPS's) tot expressie kon brengen - grote enzymen die bacteriën en schimmels gebruiken om belangrijke verbindingen samen te stellen. De wetenschappers onderzochten het NRPS-expressievermogen van deze schimmel door een bacteriële NRPS in zijn genoom in te voegen. Ze kozen voor een NRPS die twee aminozuurmoleculen omzet in indigoidine - een blauw pigment - om het gemakkelijk te maken te zien of de stamtechniek had gewerkt. heel eenvoudig, toen het gebeurde, de cultuur zou blauw worden.

Ingaand op dit experiment, indigoidine zelf was niet de belangrijkste interesse voor het team. In plaats daarvan, ze waren gericht op het grotere geheel:onderzoeken hoe de functionaliteit van de lopende band van deze enzymen kan worden benut om biosynthetische productieroutes voor waardevolle organische verbindingen te creëren, zoals biobrandstoffen, en het beoordelen of de schimmels al dan niet een goede gastheersoort waren voor de productie van deze verbindingen. Maar toen ze hun gemanipuleerde soort cultiveerden, en zag hoe blauw de cultuur was, ze wisten dat er iets ongelooflijks was gebeurd.

Met een gemiddelde titer van 86 gram indigoidine per liter bioreactorcultuur, de opbrengst van de soort - die ze Bluebelle noemden - is verreweg de hoogste die ooit is gerapporteerd. (Andere onderzoeksgroepen, inclusief het JBEI-team, hebben indigoidine gesynthetiseerd met behulp van verschillende gastheermicroben.) Toe te voegen aan het gewicht van de prestatie, de recordopbrengst werd verkregen uit een kweekproces dat gebruikmaakt van nutriënten en voorlopers die afkomstig zijn van duurzaam plantaardig materiaal. Eerdere routes vereisten aanzienlijk duurdere inputs, maar maakten ongeveer een tiende van de hoeveelheid indigoidine.

Naast de mogelijke toepassingen van indigoidine, de studie slaagde in zijn oorspronkelijke doel om een ​​potentieel productiepad voor andere NRPS's te bieden - iets dat veel waardevoller is dan enig afzonderlijk product. Deze complexe enzymen hebben meerdere subeenheden die elk een duidelijke en voorspelbare actie uitvoeren bij het samenstellen van een verbinding uit kleinere moleculen. Wetenschappers van JBEI en daarbuiten willen graag enzymen ontwikkelen die de Lego-blokachtige functies van NRPS's gebruiken om geavanceerde bioproducten te produceren die momenteel moeilijk te maken zijn.

"Een grote uitdaging is om een ​​microbe ertoe te brengen dergelijke enzymen efficiënt tot expressie te brengen. Deze gastheer heeft een enorm potentieel om aan die behoefte te voldoen, ' zei Mukhopadhyay.

De volgende stappen van het team zullen zijn om te karakteriseren hoe indigoidine als kleurstof kan worden gebruikt en om dieper in te gaan op de mogelijkheden van R. toruloides.