Onderzoekers van TU Graz en Ruhr Universiteit Bochum tonen in het tijdschrift ACS Katalyse hoe de katalytische activiteit van cyanobacteriën, ook wel blauwgroene algen genoemd, aanzienlijk kan worden verhoogd. Dit brengt biotechnologische en dus milieuvriendelijke toepassing een grote stap dichterbij.

cyanobacteriën, ondanks dat ze water groen kleuren door hun speciale pigmenten, zijn in de volksmond bekend als "blauwgroene algen, " en zetten lichtenergie bijzonder effectief om in chemische energie dankzij hun zeer actieve fotosynthetische cellen. Dit maakt ze aantrekkelijk voor biotechnologische toepassingen, waar ze kunnen worden gebruikt als milieuvriendelijke en gemakkelijk beschikbare biokatalysatoren voor de productie van nieuwe chemicaliën met behulp van specifiek geïntroduceerde enzymen.

Beperkte lichtbeschikbaarheid

Wat klinkt in theorie goed, ondervindt nog hindernissen bij de praktische grootschalige technologische implementatie. Een beslissende beperkende factor is momenteel de beschikbaarheid van licht, zoals Robert Kourist van het Instituut voor Moleculaire Biotechnologie aan de Technische Universiteit van Graz uitlegt:"Als cyanobacteriën dicht op elkaar groeien, d.w.z. in hoge concentraties, alleen de cellen aan de buitenkant krijgen voldoende licht. Binnen is het behoorlijk donker. Dit betekent dat de hoeveelheid katalysator niet naar believen kan worden verhoogd. Na een celdichtheid van enkele grammen per liter, de fotosynthetische activiteit en daarmee de productiviteit van de cellen neemt sterk af. Bij grootschalige biotechnologische productie is dat natuurlijk een flink nadeel." eerder gevestigde biokatalysatoren zoals gisten kunnen worden gebruikt met celdichtheden van 50 gram per liter en meer. De gevestigde productie-organismen hebben het grote nadeel dat ze voor hun groei afhankelijk zijn van landbouwproducten en dus veel hulpbronnen verbruiken. "Op algen gebaseerde katalysatoren kunnen worden gekweekt uit water en CO ₂ , ze zijn dus 'groen' in tweeërlei zin. Om deze reden, er worden intensieve inspanningen geleverd om de katalytische prestaties van cyanobacteriën te verbeteren, ’ zei Kourist.

Beter gebruik maken van het beschikbare licht

Samen met de Ruhr Universiteit Bochum en de Finse Universiteit van Turku, de algenwerkgroep van de TU Graz is er nu in geslaagd om juist deze katalytische prestatie te verhogen door de fotosynthetische elektronenstroom specifiek om te leiden naar de gewenste katalytische functie. "Voor de eerste keer, we konden de toevoer van fotosynthetische energie direct in de cellen op een tijdsopgeloste manier meten, zodat we knelpunten in het metabolisme konden identificeren, " legt Marc Nowaczyk van de leerstoel Plantenbiochemie aan de Ruhruniversiteit Bochum uit. "We hebben een systeem in het genoom van de cyanobacterie uitgeschakeld dat de cel moet beschermen tegen fluctuerend licht. Dit systeem is niet nodig onder gecontroleerde teeltomstandigheden, maar verbruikt fotosynthetische energie. Energie die we liever in de doelreactie stoppen, " legt Hanna Büchsenschütz uit, promovendus aan de TU Graz en eerste auteur van de studie. Op deze manier, het probleem van lage productiviteit van cyanobacteriën als gevolg van hoge celdichtheden kan worden opgelost. "Met andere woorden, we kunnen maar een bepaald aantal cellen gebruiken. Daarom moeten we de cellen sneller laten werken. We hebben een methode ontwikkeld met behulp van zogenaamde metabolic engineering die cyanobacteriën een stuk volwassener maakt voor biotechnologische toepassing, ' zei Kourist.

Naast het verhogen van de productiviteit van de cel zelf door gerichte interventies op genniveau, de Graz-onderzoekers werken ook aan nieuwe concepten voor het algenkweekproces. Een benadering is om lichtbronnen rechtstreeks in de celsuspensie te introduceren, bijvoorbeeld via mini-LED's. Er wordt ook geëxperimenteerd met nieuwe geometrieën. Dus, cyanobacteriën in de vorm van ingekapselde kleine bolletjes, zogenaamde "kralen, " kan in het algemeen meer licht absorberen. Robert Kourist merkt op:"Het is erg belangrijk om alle maatregelen op weg naar grootschalige industriële toepassing van op algen gebaseerde biokatalysatoren op een geïntegreerde manier te ontwikkelen. Dat kan alleen met interdisciplinair onderzoek dat op dezelfde manier naar de functie van een enzym kijkt als naar engineering in de fotosynthetische cel."