Αξιοποίηση των στοιχείων για τη διατροφή των μικροβίων

Η συντριπτική πλειοψηφία των καυσίμων και των χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο είναι κατασκευασμένα από ορυκτό άνθρακα. Η βιοπαραγωγή από μικροοργανισμούς, όπως βακτήρια ή ζυμομύκητες, μπορεί να μας προσφέρει έναν τρόπο να μας απογαλακτίσουμε από την εξάρτησή μας από αυτές τις μη βιώσιμες πηγές. Στην πραγματικότητα, τα μικρόβια έχουν ήδη καλλιεργηθεί σε τεράστια κλίμακα σε ολόκληρο τον πλανήτη - σκεφτείτε τις ζυθοποιίες - και έχουν υποστεί χειρισμό και επεξεργασία από ειδικούς εδώ και αιώνες. Ωστόσο, για να αναπτυχθεί και να παραχθεί μια χημική ουσία που μας ενδιαφέρει, τα μικρόβια πρέπει να εφοδιαστούν με την κατάλληλη πρώτη ύλη. Τι μπορούμε να αντέξουμε οικονομικά για να τους ταΐσουμε;

Τα τελευταία χρόνια, η χρήση των σακχάρων ως πρώτης ύλης στα βιοεργοστάσια έχει επεκταθεί δραματικά. Ωστόσο, καθώς αυξάνεται η χρήση σακχάρων για βιοπαραγωγή, αρχίζουμε να βλέπουμε τα μειονεκτήματά της. Πρώτον, η ζάχαρη που χρησιμοποιείται από μικροβιακά βιοεργοστάσια δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τρόφιμα ή ζωοτροφές. Καθώς οι διατροφικές μας απαιτήσεις συνεχίζουν να επεκτείνονται, η εκτροπή των γεωργικών πόρων προς τη βιοπαραγωγή γίνεται λιγότερο βιώσιμη και θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά την επισιτιστική ασφάλεια. Επιπλέον, η επέκταση της χρήσης γεωργικής γης για χάρη της βιοπαραγωγής μειώνει τους φυσικούς οικοτόπους και τη βιοποικιλότητα και επιβαρύνει το περιβάλλον.

Εναλλακτικές πρώτες ύλες, οι οποίες δεν ανταγωνίζονται τη γεωργική παραγωγή, έχουν προταθεί, για παράδειγμα, λιγνοκυτταρινική και βιομάζα φυκιών. Ωστόσο, η επεξεργασία αυτών των πρώτων υλών είναι πολύ δύσκολη, απαιτώντας δαπανηρές και αναποτελεσματικές μεθόδους μετατροπής. Ακόμη πιο σημαντικό, η αποτελεσματικότητα με την οποία τα φυτά και τα φύκια αναχαιτίζουν το φως και το μετατρέπουν σε βιομάζα είναι πολύ χαμηλή, δημιουργώντας αμφιβολίες για την πολύ βασική ιδέα της αξιοποίησης αυτής της φυσικής διαδικασίας για την τροφοδοσία της μικροβιακής βιοπαραγωγής.

Ποια είναι λοιπόν η εναλλακτική; Μια ιδανική μικροβιακή πρώτη ύλη θα προερχόταν άμεσα από σχεδόν απεριόριστους πόρους, πλήρως διαθέσιμους στο περιβάλλον. Για να το θέσω πιο ποιητικά, θέλουμε να αντλήσουμε τη βιοπαραγωγή από τα «στοιχεία» της φύσης:τον αέρα – από τον οποίο παίρνουμε το διοξείδιο του άνθρακα ως άμεση πηγή άνθρακα. νερό – το οποίο παρέχει το ισοδύναμο υδρογόνου· φωτιά – η ανανεώσιμη ενέργεια, π.χ. ηλιακή και αιολική, που παρέχει την απαραίτητη κινητήρια δύναμη· και γη – που αντιπροσωπεύει τα μέταλλα, δηλαδή άλλα στοιχεία, που χρειάζονται για τη μικροβιακή ανάπτυξη.

Πώς τροφοδοτούμε αυτά τα «στοιχεία» στα μικρόβια; Σε μια πρόσφατη εργασία, ερευνήσαμε και συγκρίναμε διαφορετικές προσεγγίσεις για να παρέχουμε στα μικρόβια τον άνθρακα και την ενέργεια που χρειάζονται για την ανάπτυξη. Από την άποψη της ενέργειας, η ηλεκτρική ενέργεια αποτελεί ένα εξαιρετικό σημείο εκκίνησης. Ενώ η ηλιακή ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για την ενεργοποίηση χημικών διεργασιών, η μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια παρέχει την άκρως απαραίτητη ευελιξία. Δηλαδή, όταν ο ήλιος δεν λάμπει, ο άνεμος φυσάει για να κινήσει τουρμπίνες. Εάν δεν είναι διαθέσιμα και τα δύο, η υδρο- ή η γεωενέργεια θα μπορούσε να έρθει στη διάσωση. Ως εκ τούτου, αξιοποιώντας την ηλεκτρική ενέργεια ως πηγή ενέργειας, αξιοποιούμε μυριάδες διαφορετικές ανανεώσιμες πηγές χωρίς να εξαρτόμαστε πλήρως από καμία.

Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά ισοδύναμου υδρογόνου από το νερό σε έναν χημικό φορέα. Τα μικρόβια μπορούν στη συνέχεια να πάρουν το ισοδύναμο υδρογόνου από τον φορέα και να το χρησιμοποιήσουν για να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα σε βιομάζα και προϊόντα. Αρκετές ανόργανες ενώσεις, όπως ιόντα σιδήρου ή νιτρικού, μπορούν να χρησιμεύσουν ως τέτοιοι φορείς. Μια ακόμη καλύτερη προσέγγιση είναι η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για τη μεταφορά ισοδύναμου υδρογόνου από το νερό απευθείας στο διοξείδιο του άνθρακα. Η προκύπτουσα ανηγμένη οργανική ένωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μικροβιακή πρώτη ύλη, «μεταφέροντας» μαζί της τρία από τα απαιτούμενα στοιχεία:άνθρακα, ισοδύναμο υδρογόνου και ενέργεια.

Στην ανάλυσή μας, δείχνουμε ότι το μονοξείδιο του άνθρακα και το μυρμηκικό οξύ, και τα δύο μόρια ενός άνθρακα, μπορούν να χρησιμεύσουν ως ιδανικά ενδιάμεσα μεταξύ της πρώτης, της χημικής διαδικασίας, και της δεύτερης, της βιολογικής μετατροπής. Ωστόσο, ενώ το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα τοξικό, εύφλεκτο αέριο με χαμηλή διαλυτότητα, το μυρμηκικό οξύ είναι πλήρως διαλυτό και εύκολο στον χειρισμό και τη μεταφορά. Αυτό καθιστά το μυρμηκικό οξύ μια πολλά υποσχόμενη πρώτη ύλη για βιοπαραγωγή. Μαζί, οραματιζόμαστε μια αλυσίδα παραγωγής που εκμεταλλεύεται τα πλεονεκτήματα κάθε τομέα:οι φυσικοχημικές διεργασίες υποστηρίζουν γρήγορες και αποτελεσματικές μετατροπές της ανανεώσιμης ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια και του διοξειδίου του άνθρακα σε μυρμηκικό οξύ, ενώ οι βιολογικές διεργασίες είναι αποτελεσματικές στη μετατροπή αυτής της τελευταίας απλής πρώτης ύλης σε ένα ευρύ φάσμα σύνθετων προϊόντων.

Θα χρειαστεί λίγος χρόνος για να μπορέσουμε να εφαρμόσουμε πλήρως αυτό το όραμα. Εκτός από περαιτέρω βελτιώσεις στις ηλεκτροχημικές διεργασίες, προκειμένου η αλυσίδα παραγωγής να αξιοποιήσει πλήρως τις δυνατότητές της, πρέπει να σχεδιάσουμε και να δημιουργήσουμε καλύτερες μεταβολικές λύσεις για τη μικροβιακή ανάπτυξη στο μυρμηκικό οξύ. Ενώ πολλά μικρόβια μπορούν να αναπτυχθούν στο μυρμηκικό οξύ ως μοναδική πηγή άνθρακα και ενέργειας, οι περισσότερες από τις μεταβολικές οδούς που χρησιμοποιούν για αυτήν την ανάπτυξη είναι είτε περιορισμένης αποτελεσματικότητας είτε περιορίζονται σε ακραίες συνθήκες.

Ένας από τους κύριους στόχους του εργαστηρίου μας είναι η χρήση μηχανικών εργαλείων για το σχεδιασμό και την εφαρμογή νέων μεταβολικών οδών που θα υποστήριζαν τη βιομετατροπή του μυρμηκικού οξέος σε πολύ υψηλή απόδοση και υπό μη ακραίες συνθήκες. Εργαζόμαστε συγκεκριμένα σε μικροβιακά μοντέλα μηχανικής, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιοτεχνολογική βιομηχανία για διεργασίες βιοπαραγωγής, για να αναπτυχθούν σε μυρμηκικό οξύ χρησιμοποιώντας την πιο αποτελεσματική οδό που έχουμε σχεδιάσει μέχρι στιγμής:το μονοπάτι της αναγωγικής γλυκίνης. Με την ολοκλήρωσή τους, αυτά τα κατασκευασμένα μικρόβια θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για βιώσιμη βιοπαραγωγή χημικών ουσιών προστιθέμενης αξίας από μυρμηκικό οξύ που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές, και έτσι να μεταμορφώσουν τον τρόπο με τον οποίο παράγουμε τα καθημερινά μας προϊόντα.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο, Towards βιώσιμες πρώτες ύλες:Ένας οδηγός για δότες ηλεκτρονίων για μικροβιακή καθήλωση άνθρακα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Current Opinion in Biotechnology.

Αυτό το έργο χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή και αποτελεί μέρος του έργου κοινοπραξίας της ΕΕ που ονομάζεται eForFuel. Η εργασία διεξήχθη από τους Nico Joannes Claassens και Arren Bar-Even από το Ινστιτούτο Μοριακής Φυσιολογίας Φυτών Max Planck και την Irene Sánchez-Andrea και Diana Zita Sousa από το Wageningen University. Αυτή η έρευνα