Kvasac se hiljadama godina koristi u proizvodnji piva i vina i za dodavanje paperja i ukusa hlebu. One su male prirodne fabrike koje se mogu hraniti šećerima koji se nalaze u voću i žitaricama i drugim hranljivim materijama — i iz tog menija proizvode alkohol za piće i ugljen-dioksid da bi hleb narastao.
Sada, istraživači sa Fakulteta inženjeringa izveštavaju o tome da prave modifikovani kvasac koji se može hraniti širim spektrom materijala, od kojih mnogi mogu biti dobijeni od poljoprivrednih nusproizvoda koje ne koristimo – lišća, ljuske, stabljike, čak i drvne sečke, stvari koje se često nazivaju „otpadnom biomasom“.
Zašto je važno napraviti kvasac koji može da se hrani ovim poljoprivrednim ostacima?
Poslednjih godina, naučnici su modifikovali kvasac kako bi napravili druge korisne proizvode kao što su farmaceutski proizvodi i biogoriva. To je pametan način da dozvolimo prirodi da radi naš posao na način koji ne zahteva toksične hemikalije za proizvodnju. Tehnologija — koja se naziva „sintetička biologija“ — je još uvek mlada, ali gledajući unapred u budućnost u kojoj bi biosintetička proizvodnja iz kvasca radila u veoma velikom obimu, moramo da hranimo kvasac nečim drugim od onoga što sami treba da jedemo.
Novi kvasac koji je napravio Tafts tim može se hraniti šećerima poput ksiloze, arabinoze i celobioze, koji se mogu ekstrahovati iz neprobavljivih drvenastih delova useva koji se često bacaju u stranu nakon žetve, kao što su stabljike kukuruza, ljuske i listovi i stabljike pšenice. Svake godine se proizvede oko 1,3 milijarde tona ove otpadne biomase, što obezbeđuje više nego dovoljno šećera za pokretanje ogromne industrije biosinteze kvasca.
„Ako možemo da nateramo kvasac da se hrani otpadnom biomasom, možemo da stvorimo biosintetičku industriju sa niskim ugljičnim otiskom“, rekao je Nikhil Nair, vanredni profesor hemijskog i biološkog inženjerstva. „Na primer, kada sagorevamo biogoriva napravljena od kvasca, proizvodimo mnogo ugljen-dioksida, ali se taj ugljen-dioksid sledeće godine ponovo apsorbuje u useve, kojim se kvasac hrani da bi napravio više biogoriva, i tako dalje.
Nair i njegov tim su smatrali da bi najbolja šansa za efikasnu potrošnju šećera iz otpadne biomase mogla biti modifikacija postojeće genetske „kontrolne table“ koju kvasac koristi da reguliše potrošnju galaktoze, šećera koji se obično nalazi u mlečnim proizvodima.
Kontrolna tabla, nazvana regulon, uključuje gene za senzore koji detektuju prisustvo šećera i pokreće enzime za hemijsku razgradnju šećera tako da se njegove komponente ugljenika i kiseonika mogu ponovo izgraditi u nove komponente. Nove komponente su uglavnom mali molekuli i proteini koji su potrebni samom kvascu da bi preživeo, ali mogu biti i novi proizvodi koje su naučnici mogli da unesu u kvasac.
U ranijoj studiji, istraživači su modifikovali regulon galaktoze tako da senzor detektuje šećernu ksilozu iz biomase i pokreće enzime za obradu ksiloze umesto galaktoze.
„Omogućavanje kvasca da raste na ksilozi bio je važan napredak“, rekao je Šon Salivan, diplomirani student u laboratoriji Nair koji je bio ko-voditelj nedavne studije objavljene u Metabolic Engineering, „ali reinženjering različitih organizama kvasca da rastu na svakom šećeru iz biomase nije najbolji pristup. Želeli smo da dizajniramo jedan kvasac koji može da hrani kompletan organizam kvasca koji može da hrani kompletan organizam od bimasa.“
Salivan je napravio samo minimalne promene u regulonu koji je već dizajniran za ksilozu, tako što je promenio senzorski protein da bi uopštenije prihvatio ksilozu, arabinozu i celobiozu. Osim još nekoliko manjih promena, novi regulon je omogućio da organizam kvasca raste na ova tri šećera brzinom koja je uporediva sa kvascem koji se uzgaja na prirodnim šećerima glukozi i galaktozi.
„Koristeći izvorne regulatorne mreže povezane sa rastom i opstankom ćelija, mogli bismo da primenimo minimalni inženjerski pristup modifikovanju i optimizaciji potrošnje šećera“, rekao je Vikas Trivedi, postdoktorski istraživač koji je zajedno vodio studiju. „Dešava se da kvasac ima mašineriju da raste na ne-domaćim šećerima, sve dok prilagođavamo senzore i regulone da prepoznaju te šećere.“
Remodeliranjem kvasca da raste na otpadnim šećerima iz biomase postavlja se osnova za poboljšanu proizvodnju biosintetizovanih proizvoda, što uključuje lekove kao što su insulin, ljudski hormon rasta i antitela. Kvasac je takođe konstruisan da proizvodi vakcine ekspresijom malih fragmenata virusa koji stimulišu imuni sistem.
U stvari, kvasac se može rekonstruisati da bi se proizvela prirodna jedinjenja koja se koriste za pravljenje lekova, a koje je inače teško nabaviti jer se moraju ekstrahovati iz retkih biljaka. To uključuje skopolamin, koji se koristi za ublažavanje bolesti kretanja i postoperativne mučnine, i atropin, koji se koristi za lečenje pacijenata sa Parkinsonovom bolešću, i artemensin, koji se koristi za lečenje malarije.
Etanol je dobro poznato biogorivo koje proizvodi kvasac, ali istraživači su takođe konstruisali organizam da proizvodi druga goriva kao što su izobutanol i izopentanol, koji mogu da isporuče više energije po litru od etanola.
Bioinženjerski kvasac takođe može proizvesti gradivne blokove bioplastike, kao što je polimlečna kiselina, koja se zatim može koristiti za pravljenje različitih proizvoda, uključujući materijale za pakovanje i robu široke potrošnje, bez potrebe za crpljenjem iz izvora nafte.
„Dok istraživačka zajednica nastavlja da inovira kvasac za proizvodnju novih proizvoda, mi pripremamo organizam da efikasno raste na biomasi poljoprivrednog otpada, zatvarajući ciklus ugljenika koji je do sada izmicao proizvodnji goriva, farmaceutskih proizvoda i plastike“, rekao je Nair.
