Bakterije proizvode materijale koji su od interesa za ljude, kao što su celuloza, svila i minerali. Prednost proizvodnje bakterija na ovaj način je u tome što je održiva, odvija se na sobnoj temperaturi iu vodi. Nedostatak je taj što proces zahteva vreme i daje količine koje su suviše male da bi bile od industrijske upotrebe.
Shodno tome, istraživači već neko vreme pokušavaju da pretvore mikroorganizme u žive mini-fabrike koje mogu brže da proizvedu veće količine željenog proizvoda. Ovo zahteva ili ciljanu intervenciju u genomu ili kultivaciju najpogodnijih bakterijskih sojeva.
Novi pristup predstavila je istraživačka grupa koju predvodi Andre Studart, profesor kompleksnih materijala na ETH u Cirihu, koristeći bakteriju Komagataeibacter sucrofermentans koja proizvodi celulozu.
Prateći principe evolucije prirodnom selekcijom, nova metoda omogućava naučnicima da vrlo brzo proizvedu desetine hiljada varijanti bakterije i da odaberu one sojeve koji proizvode najviše celuloze.
K. sucrofermentans prirodno proizvodi celulozu visoke čistoće, materijal koji je veoma tražen za biomedicinsku primenu i proizvodnju ambalažnog materijala i tekstila. Dva svojstva ove vrste celuloze su da podržava zarastanje rana i sprečava infekcije.
„Međutim, bakterije rastu sporo i proizvode ograničene količine celuloze. Zbog toga smo morali da pronađemo način da povećamo proizvodnju“, objašnjava Džuli Loran, doktorant u Studartovoj grupi i prvi autor studije koja je objavljena u naučnom časopisu. PNAS .
Pristup koji je razvila uspeo je da proizvede mali broj varijanti Komagataeibacter koje stvaraju do sedamdeset procenata više celuloze nego u svom originalnom obliku.
Istraživač materijala je prvo morao da stvori nove varijante originalne bakterije koja se javlja u prirodi – poznate kao divlji tip. Da bi to uradila, Julie Laurent je ozračila bakterijske ćelije UV-C svetlošću, koja oštećuje nasumične tačke bakterijske DNK. Zatim je bakteriju stavila u mračnu prostoriju kako bi sprečila bilo kakvu popravku oštećenja DNK i time izazvala mutacije.
Koristeći minijaturni aparat, ona je zatim kapsulirala svaku bakterijsku ćeliju u sićušnu kapljicu hranljivog rastvora i dozvolila ćelijama da proizvode celulozu na određeno vreme. Nakon perioda inkubacije, koristila je fluorescentnu mikroskopiju da analizira koje ćelije su proizvele mnogo celuloze, a koje nisu proizvele ništa ili vrlo malo.
Pomoću sistema za sortiranje koji je razvila grupa hemičara ETH Endrua De Mela, Studartov tim je automatski razvrstao one ćelije koje su evoluirale da proizvode izuzetno veliku količinu celuloze. Ovaj sistem sortiranja je potpuno automatizovan i veoma brz.
Za nekoliko minuta može da skenira pola miliona kapljica laserom i da sortira one koje sadrže najviše celuloze. Ostale su samo četiri koje su proizvele 50 do 70% više celuloze od divljeg tipa.
Razvijene ćelije K. sucrofermentans mogu da rastu i proizvode celulozu u prostirkama u staklenim bočicama na granici između vazduha i vode. Takva prostirka prirodno teži između dva i tri miligrama i debljine je oko 1,5 milimetara. Celulozne prostirke novorazvijenih varijanti su skoro dvostruko teže i deblje od divljeg tipa.
Džuli Loran i njene kolege su takođe genetski analizirale ove četiri varijante da bi otkrile koji su geni izmenjeni od strane UV-C svetlosti i kako su ove promene dovele do prekomerne proizvodnje celuloze. Sve četiri varijante imale su istu mutaciju u istom genu. Ovaj gen je nacrt za enzim koji razgrađuje proteine — proteazu.
Međutim, na iznenađenje istraživača materijala, geni koji direktno kontrolišu proizvodnju celuloze nisu se promenili. „Sumnjamo da ova proteaza razgrađuje proteine koji regulišu proizvodnju celuloze. Bez ove regulacije, ćelija više ne može zaustaviti proces“, objašnjava istraživač.
Novi pristup je svestran i može se primeniti na bakterije koje proizvode druge materijale. Takvi pristupi su prvobitno razvijeni za stvaranje bakterija koje proizvode određene proteine ili enzime.
„Mi smo prvi koji koristimo takav pristup za poboljšanje proizvodnje neproteinskih materijala“, kaže profesor ETH Andre Studart. „Za mene je ovaj rad prekretnica.
Istraživači su se prijavili za patent za pristup i mutirane bakterijske varijante.
U sledećem koraku, želeli bi da sarađuju sa kompanijama koje proizvode bakterijsku celulozu kako bi testirali novi mikroorganizam u stvarnim industrijskim uslovima.
