Logo bio-infomedia.ro

Microorganisme modificate care "respiră cauciuc"

Ilustrație microorganisme metanogene
O ilustrație a microorganismelor producătoare de metan și izopren, principala componentă a cauciucului sintetic. O tulpină modificată genetic de către cercetătorii de la Universitatea din Nebraska, Statele Unite, a produs niveluri de izopren mai ridicate decât cele de la drojdii, E. coli și alte microorganisme. | Foto: SCOTT SCHRAGE
  • Microorganismele metanogene sunt cunoscute pentru faptul că produc metan în medii lipsite de oxigen (intestinele animalelor, izvoarele hidrotermale etc.).
  • Oamenii de știință au reușit să modifice genetic o specie de metanogeni pentru a produce, în afară de metan, și cantități considerabile de izopren, principala componentă chimică a cauciucului sintetic.

Organismele unicelulare denumite metanogeni sunt cunoscute pentru faptul că produc metan: în intestinele oamenilor sau ale altor animale, în izvoarele hidrotermale de pe fundul oceanului și aproape oriunde nu există oxigen.

Însă cercetătoarea Nicole Buan și colegii săi de la Universitatea din Nebraska, Statele Unite, au modificat genetic o specie de metanogeni care poate produce și cantități considerabile de izopren, principala componentă chimică a cauciucului sintetic. În mod promițător, producția de izopren a depășit-o pe cea de la alte microorganisme modificate genetic în acest scop.

Aproximativ 800.000 de tone de izopren, din care cea mai mare parte intră în producția cauciucului sintetic, sunt rafinate din petrol în fiecare an. Însă dorința de a reduce dependența de combustibilii fosili a determinat cercetătorii să caute surse alternative și regenerabile de substanțe chimice. Printre aceste surse alternative se numără drojdiile, bacteria E. coli și algele albastre-verzi denumite cianobacterii.

Deoarece sunt organisme vii, aceste surse necesită materie primă pentru a produce izopren. Multe dintre aceste materii prime, în special glucoza, sunt costisitor de produs sau procesat la o scară mare. Unele dintre ele provin din porumb, sfeclă de zahăr și alte culturi care, în mod normal, sunt folosite pentru hrănirea oamenilor sau a animalelor. Iar extragerea izoprenului produs necesită și aceasta construirea unei infrastructuri noi, care presupune cheltuieli suplimentare.

Acesta este și motivul pentru care Baun s-a orientat către microorganismele metanogene, care nu au nevoie de lumină sau de oxigen și sunt gata să devoreze diferite resturi inutilizabile - inclusiv apă uzată, pe care o și epurează în timpul procesului.

Acestea sunt organisme cu adevărat incredibile și magice, a declarat Baun, profesor asociat de biochimie. Ele pot crește în vase din sticlă sigilate cu doar câteva minerale la îndemână și atât. Pentru mine, ele prezintă potențialul cel mai ridicat pentru dezvoltarea unor tehnologii sustenabile, care ar putea revoluționa climatul și nevoile energetice.

Mai mult, metanogenii direcționează în mod natural 5% din metabolismul lor înspre construirea unor membrane celulare din izoprenoide (terpene) - compuși chimici a căror componentă principală este izoprenul. Timp de ani de zile, Baun și studenții săi au studiat metode a extrage o parte din izoprenoide din metanogeni înainte ca acestea să fie încorporate în membranele celulare.

Pentru a realiza acest lucru, Buan și echipa sa au început cu specia metanogenă Methanosarcina acetivorans și cu o genă a unei specii de plop care poate converti 10% din carbon în izopren. Această genă codifică o enzimă denumită izopren-sintaza, care acționează asupra compusului chimic denumit dimetilalil pirofosfat sau DMAPP. Compusul, care este format dintr-o moleculă de izopren și o moleculă de pirofosfat, devine o parte a membranei celulare a metanogenului. Înainte de a se întâmpla acest lucru, intervine izopren-sintaza, care clivează pirofosfatul, lăsând molecula de izopren liberă să treacă prin membrana celulară și să părăsească celula sub formă de gaz.

Buan și colegii săi au inclus gena plopului într-o moleculă de ADN atent pregătită, un plasmid, care a fost preluată de cromozomul lui M. acetivorans. Apoi metanogenul a fost hrănit cu mâncarea s-a favorită: dioxidul de carbon, acetatul, metanul și metanolul. Când s-a hrănit cu metanol, M. acetivorans a convertit 4% din carbon în izopren, rezultând o producție de 179 de ori mai mare decât cea de la cele mai bune bacterii metanogene.

În privința faptului dacă metanogenul ar putea supraviețui și s-ar putea dezvolta în lipsa unei aprovizionări constante cu DMAPP, echipa a descoperit că populația de M. acetivorans modificată genetic s-a dublat cu aceeași rată, în timp ce producea aceeași cantitate de metan. De fapt, biomasa totală a metanogenului a crescut atunci când acesta respira izopren. Pentru compensare, metanogenul modificat genetic își alterează expresia genetică și metabolismul în sensul unei căi energetice diferite, care susține creșterea. În acest fel, tulpina de M. acetivorans crește nu în ciuda producerii de izopren, ci ca rezultat al acesteia.

Ceea ce evidențiază este faptul că metanogenul beneficiază de pe urma producerii acestei substanțe chimice valoroase, iar aceasta se datorează specificului metabolismului și fiziologiei metanogenului, a declarat Buan. L-am numit izoprenogen, deoarece este un nou tip de organism. Din câte cunoaștem, nu mai există alt organism care să se dezvolte prin producerea de izopren gazos. Nu este un răspuns la stres, nu este o supapă de siguranță, ci așa crește acest organism.

Având în vedere numărul de stații de epurare a apelor uzate și de alte instalații de biocombustibili care încorporează microorganisme metanogene, adaptarea acestora pentru recuperarea izoprenului ar putea fi relativ facilă, susțin cercetătorii. Între timp, laboratorul lui Buan caută metode de optimizare a lui M. acetivorans pentru a converti și mai mult carbon în izopren.

Source Sursa: www.phys.org
Text: Scott Schrage



Din aceeași categorie

Steaua de mare

Unele bacterii sufocă stelele de mare

24 ianuarie 2021 | Bacterii