Bakterien werden zu Biokunststofffabriken
Biologen finden neue Wege, um die plastikproduzierende Kraft violetter Mikroben zu fördern
In einer Welt, die von erdölbasierten Kunststoffen überschwemmt wird, suchen Wissenschaftler nach Alternativen, die nachhaltiger und biologisch abbaubar sind und die Umwelt weit weniger belasten.
In einer Welt, die von erdölbasierten Kunststoffen überschwemmt wird, suchen Wissenschaftler nach Alternativen, die nachhaltiger und biologisch abbaubar sind und die Umwelt weit weniger belasten. Zwei neue Studien von Biologen der WashU beleuchten eine potenzielle Quelle für bahnbrechende Materialien: violette Bakterien, die mit ein wenig Unterstützung wie mikroskopische Fabriken für Biokunststoffe wirken können.
Joe Angeles / WashU
Zwei neue Studien von Biologen der Washington University in St. Louis zeigen eine potenzielle Quelle für neue Materialien auf: violette Bakterien, die mit ein wenig Unterstützung wie mikroskopische Fabriken für Biokunststoffe wirken können.
In einer Studie unter der Leitung des Doktoranden Eric Conners wurde festgestellt, dass zwei relativ unbekannte Arten von Purpurbakterien in der Lage sind, Polyhydroxyalkanoate (PHA) zu produzieren, natürliche Polymere, die zur Herstellung von Kunststoffen gereinigt werden können.
Eine weitere Studie unter der Leitung von Forschungslaborleiterin Tahina Ranaivoarisoa zeigte, dass eine gut untersuchte, aber notorisch widerspenstige Art von Purpurbakterien durch gentechnische Eingriffe dazu gebracht werden konnte, ihre PHA-Produktion drastisch zu steigern.
Conners und Ranaivoarisoa arbeiten im Labor von Arpita Bose, einer außerordentlichen Professorin für Biologie in Arts & Sciences und korrespondierende Autorin der neuen Studien. "Es gibt weltweit eine große Nachfrage nach Biokunststoffen", sagte Bose. "Sie können hergestellt werden, ohne dassCO2 in die Atmosphäre gelangt, und sind vollständig biologisch abbaubar. Diese beiden Studien zeigen, wie wichtig es ist, mehrere Ansätze zu verfolgen, um neue Wege zur Herstellung dieses wertvollen Materials zu finden.
Purpurbakterien sind eine besondere Gruppe aquatischer Mikroben, die für ihre Anpassungsfähigkeit und ihre Fähigkeit bekannt sind, aus einfachen Bestandteilen nützliche Verbindungen herzustellen. Wie grüne Pflanzen und einige andere Bakterien können sie Kohlendioxid mit Hilfe von Sonnenenergie in Nahrung umwandeln. Anstelle des grünen Chlorophylls verwenden sie jedoch andere Pigmente, um das Sonnenlicht einzufangen.
Die Bakterien produzieren auf natürliche Weise PHAs und andere Bausteine von Biokunststoffen, um zusätzlichen Kohlenstoff zu speichern. Unter den richtigen Bedingungen können sie diese Polymere auf unbestimmte Zeit produzieren.
Wie die Biologen der WashU diese Woche in der Zeitschrift Microbial Biotechnology berichten, zeigten zwei wenig bekannte Arten von Purpurbakterien der Gattung Rhodomicrobium eine bemerkenswerte Bereitschaft, Polymere zu produzieren, insbesondere wenn sie mit geringen Mengen an Strom versorgt und mit Stickstoff genährt werden. "Es lohnt sich, einen Blick auf Bakterien zu werfen, die wir bisher noch nicht untersucht haben", sagte Conners. "Wir haben ihr Potenzial noch nicht annähernd ausgeschöpft."
Rhodomicrobium-Bakterien haben ungewöhnliche Eigenschaften, die sie zu faszinierenden Anwärtern auf den Einsatz als natürliche Biokunststoff-Fabriken machen. "Es handelt sich um ein einzigartiges Bakterium, das sich von anderen violetten Bakterien stark unterscheidet", so Conners. Während einige Arten als einzelne Zellen in Kulturen umherschwimmen, bildet diese spezielle Gattung zusammenhängende Netzwerke, die für die Produktion von PHA besonders gut geeignet zu sein scheinen.
Auch andere Bakterienarten können mit etwas Hilfe Biokunststoffpolymere herstellen. Wie in der Fachzeitschrift Applied and Environmental Microbiology berichtet, haben die Forscher der WashU mit Hilfe der Gentechnik Rhodopseudomonas palustris TIE-1, eine gut untersuchte Spezies, die normalerweise nur zögerlich Polymere produziert, beeindruckende Mengen an PHA entlockt. "TIE-1 ist ein großartiger Organismus, um ihn zu studieren, aber in der Vergangenheit war er nicht der beste für die Produktion von PHA", sagte Ranaivoarisoa.
Mehrere genetische Veränderungen halfen, die PHA-Produktion zu steigern, aber ein Ansatz war besonders erfolgreich. Die Forscher erzielten beeindruckende Ergebnisse, als sie ein Gen einfügten, das das natürliche Enzym RuBisCO, den Katalysator, der Pflanzen und Bakterien hilft, Kohlenstoff aus der Luft und dem Wasser zu binden, verstärkt. Mit Hilfe des superstarken Enzyms verwandelten sich die normalerweise trägen Bakterien in relative PHA-Kraftpakete. Die Forscher sind optimistisch, dass ein ähnlicher Ansatz auch mit anderen Bakterien möglich sein könnte, die in der Lage wären, noch höhere Mengen an Biokunststoffen zu produzieren.
In naher Zukunft will Bose die Qualität und die möglichen Verwendungszwecke der in ihrem Labor hergestellten Polymere genauer unter die Lupe nehmen. "Wir hoffen, dass diese Biokunststoffe in Zukunft zu echten Lösungen führen werden."
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Originalveröffentlichung
Eric M. Conners, Karthikeyan Rengasamy, Tahina Ranaivoarisoa, Arpita Bose; "The phototrophic purple non-sulfur bacteria Rhodomicrobium spp. are novel chassis for bioplastic production"; Microbial Biotechnology, 2024
Tahina Onina Ranaivoarisoa et al. "Overexpression of RuBisCO form I and II genes in Rhodopseudomonas palustris TIE-1 augments polyhydroxyalkanoate production heterotrophically and autotrophically"; Applied and Environmental Microbiology, 2024
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