Am un singur cuvânt pentru tine
Un sistem de stocare a energiei bacteriene este modificat pentru a face polimeri.
Tehnologul medical deține creșterea culturii bacteriilor pe placa media cromogenă în laboratorul de microbiologie, Escherichia coli (E. coli) Creșterea culturii bacteriilor pe o farfurie Petri. Credit: MD Aridic Islam
Materialele plastice sunt grozave, cu excepția cazului în care vine vorba de realizarea sau eliminarea lor. Producția necesită, în general, utilizarea substanțelor chimice derivate din combustibili fosili și astfel ajută la continuarea bazării noastre pe ei. Iar produsele finale nu sunt în general biodegradabile, așa că ele tind să se lipească În ciuda ruperii în fragmente mereu mai mici.
Cu toate acestea, biologia ar putea oferi o soluție. Cercetătorii au identificat bacteriile care au evoluat capacitatea de a digerați unele materiale plastice. Și îmbunătățirile în capacitatea noastră de a proiecta proteine ne -au permis Faceți noi enzime Asta poate mesteca materialele plastice.
Săptămâna aceasta aduce unele progrese pe cealaltă parte a ecuației, o echipă de cercetători coreeni care descriu modul în care au conceput o tulpină bacteriană care poate face un polimer util care începe cu nimic altceva decât glucoză ca combustibil. Sistemul pe care l -au dezvoltat se bazează pe o enzimă pe care bacteriile îl folosesc atunci când se confruntă cu condiții nutritive neobișnuite și poate fi modificat pentru a face o gamă largă de polimeri.
Manipularea unui surplus de carbon
Cercetătorii s -au concentrat pe utilizarea celulelor bacteriene ale sistemului pentru producerea de polihidroxiacanoate (PHA). Aceste substanțe chimice sunt formate atunci când celulele bacteriene continuă să aibă o aprovizionare bună de surse de carbon și energie, dar le lipsește alți alți nutrienți cheie necesari pentru a crește și a se împărți. În aceste condiții, celula va lega molecule mici care conțin o mână de carburi, formând un polimer mult mai mare. Când condițiile nutriționale se îmbunătățesc, celula poate pur și simplu să descompună polimerul și să folosească moleculele individuale pe care le conținea.
Lucrul izbitor despre acest sistem este că nu este deosebit de plin de identitate a moleculelor pe care le leagă în polimer. Până în prezent, au fost găsite peste 150 de molecule mici diferite încorporate în PHAS. Se pare că enzima care face ca polimerul, PHA sintaza, nu are grijă decât de două lucruri: dacă molecula poate forma o legătură de ester (PHA -urile sunt poliesteri) și dacă poate fi legată de o moleculă care este folosită în mod obișnuit ca intermediar în biochimia celulei, Coenzume a.
Una dintre enzimele utilizate în acest sistem ia un aminoacid (stânga) și îl leagă de coenzima A. Al doilea ia aceste elemente și le leagă într -un polimer. Credit: Chae et. al.
În mod normal, PHA sintaza formează legături între molecule care se desfășoară printr -un atom de oxigen. Dar este, de asemenea, posibil să formăm o legătură chimică aferentă care, în schimb, trece printr -un atom de azot, precum cele găsite pe aminoacizi. Cu toate acestea, nu au existat enzime cunoscute care să catalizeze aceste reacții. Deci, cercetătorii au decis să testeze dacă ar putea fi induse enzime existente să facă ceva ce nu fac în mod normal.
Cercetătorii au început cu o enzimă din Clostridium Acest lucru leagă substanțele chimice cu coenzima A care are o reputație de a nu fi picant în ceea ce privește substanțele chimice cu care interacționează. Acest lucru a funcționat rezonabil de bine la conectarea aminoacizilor cu coenzima A. Pentru conectarea aminoacizilor împreună, au folosit o enzimă din Pseudomonas Aceasta a avut patru mutații diferite care au extins gama de molecule pe care le -ar folosi ca materiale de reacție. Folosit într -o eprubetă, sistemul a funcționat: aminoacizii au fost legați împreună într -un polimer.
Întrebarea era dacă va funcționa în celule. Din păcate, una dintre cele două enzime se dovedește a fi ușor toxică pentru E. coliîncetinirea creșterii sale. Deci, cercetătorii au evoluat o tulpină de E. coli care ar putea tolera proteina. Cu ambele două proteine, celulele au produs cantități mici de polimer de aminoacizi. Dacă ar adăuga un exces de aminoacid la medii în care celulele creșteau, polimerul ar fi părtinitor spre încorporarea acelui aminoacid.
Stimularea producției de polimeri
Cu toate acestea, randamentul polimerului în funcție de greutatea bacteriilor a fost destul de scăzut. „S -a motivat că acestea [amino acids] ar putea fi încorporat mai eficient în polimer dacă este generat în celule dintr -o sursă de carbon adecvată, „scriu cercetătorii. Deci, cercetătorii au pus copii suplimentare ale genelor necesare pentru a produce un aminoacid specific (lizina).
Majoritatea polimerilor au încorporat o cantitate corectă de acid lactic, care poate forma și obligațiuni de ester. În mod normal, există mult acid lactic în celulă, deoarece este unul dintre produsele potențiale ale metabolismului glucozei. Dar cercetătorii au eliminat gena care codifică enzima primară care produce cu acid lactic, reducând dramatic cantitatea încorporată în polimer.
Cercetătorii au încercat, de asemenea, o varietate de condiții, arătând că ar putea crea polimeri care erau un amestec de doi monomeri de aminoacizi diferiți și care să încorporeze non-aminoacizi în amestec. Prin adăugarea câtorva enzime suplimentare la E. coli încordare, au reușit să sporească randamentul polimerului în greutate la peste 50 la sută. De asemenea, au arătat că puteți introduce mutații în enzima care face polimerizarea și ar încorpora selectiv mai mult un aminoacid specific în polimerul rezultat.
În general, sistemul pe care îl dezvoltă este remarcabil de flexibil, capabil să încorporeze o gamă uriașă de substanțe chimice într -un polimer. Acest lucru ar trebui să le permită să regleze plasticul rezultat pe o gamă largă de proprietăți. Și, având în vedere că legăturile s -au format prin enzimă, polimerul rezultat va fi aproape sigur biodegradabil.
Cu toate acestea, există unele negative. Procesul nu permite controlul complet asupra a ceea ce se încorporează în polimer. Puteți să -l prejudiciați către un amestec specific de aminoacizi sau alte substanțe chimice, dar nu puteți opri în întregime enzima să încorporeze substanțe chimice aleatorii din metabolismul celulei în polimer la un anumit nivel. Există, de asemenea, problema purificării polimerului de toate restul componentelor celulare înainte de a -l încorpora în fabricație. Producția este, de asemenea, relativ lentă în comparație cu producția industrială pe scară largă.
Deci, nu este destul de gata să preia producția globală de plastic. Dar munca face o treabă excelentă în evidențierea potențialului de fabricație pe bază de bio.
Nature Chemical Biology, 2025. DOI: 10.1038/s41589-025-01842-2 (Despre Dois)
John este editorul științific al ARS Technica. Are un licențiat în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când se desparte fizic de tastatura sa, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru comunicarea cu cizmele sale de drumeție.
Comentarii recente