Az egyenlet másik oldala
Ezen a héten előrelépés történt az egyenlet másik oldalán is, a műanyaggyártásban: koreai kutatók egy olyan baktériumtörzset állítottak elő, amely képes hasznos polimert előállítani kizárólag glükózból kiindulva. Az általuk kifejlesztett rendszer egy olyan enzimen alapul, amelyet a baktériumok szélsőséges táplálkozási körülmények között használnak, és amely különböző polimerek előállításához is módosítható.
A legmeglepőbb ebben a rendszerben, hogy nem túl válogatós a polimerhez kapcsolódó molekulák szempontjából. Eddig több mint 150 különböző kis molekula beépülését figyelték meg a PHA-kba (polihidroxialkanoátok). Úgy tűnik, hogy a polimert előállító enzim, a PHA-szintáz, csupán két dolgot vesz figyelembe: hogy a molekula képes-e észterkötést kialakítani, és hogy kapcsolódhat-e egy olyan molekulához, amelyet a sejt biokémiája általánosan köztes termékként használ.
Kémiai kötések újragondolva
Normális esetben a PHA-szintáz oxigénatomokon keresztül létrejövő kötéseket alakít ki a molekulák között. Ugyanakkor lehetséges egy másfajta kémiai kötés kialakítása is, amely nitrogénatomokon keresztül halad, mint amilyenek az aminosavakban találhatók. Azonban eddig nem ismertek olyan enzimeket, amelyek katalizálják ezeket a reakciókat. Ezért a kutatók azt vizsgálták, vajon bármelyik meglévő enzim átalakítható-e arra, hogy olyasmit tegyen, amit normális körülmények között nem tesz.
A kutatók egy Clostridium baktériumból származó enzimmel indítottak, amely vegyi anyagokat kapcsol a koenzim A-hoz, és arról híres, hogy nem válogatós a kölcsönhatásba lépő vegyi anyagokkal szemben. Ez megfelelően működött az aminosavak koenzim A-hoz való kapcsolásában. Az aminosavak összekapcsolásához pedig egy Pseudomonas baktériumból származó enzimet használtak, amelyen négy különböző mutációt végeztek, hogy bővítsék a reagensként használható molekulák körét. A rendszer kémcsőben működőképesnek bizonyult: az aminosavak összekapcsolódtak egy polimerben.
A sejten belüli kihívások leküzdése
A kérdés az volt, hogy a rendszer sejtekben is működik-e. Sajnos a két enzim egyike enyhén toxikusnak bizonyult az E. coli számára, és lelassította annak növekedését. Ezért a kutatók olyan E. coli törzset fejlesztettek ki, amely tolerálja a fehérjét. Ennek eredményeként a sejtek kis mennyiségű aminosav-polimert állítottak elő. Ha a táptalajba, amelyben a sejtek növekedtek, aminosav-felesleget adtak, a polimer előnyben részesítette az adott aminosav beépítését.
A polimer hozama azonban a baktériumok tömegéhez képest meglehetősen alacsony maradt. Ezért a kutatók beillesztették egy specifikus aminosav (lizin) előállításához szükséges gén további kópiáit. Ez több polimert eredményezett, amelynek jelentős része lizinből állt.
Finomhangolás és jövőbeli lehetőségek
A legtöbb előállított polimer jelentős mennyiségű tejsavat tartalmazott. A kutatók kiütötték azt a gént, amely a tejsavat termelő kulcsenzimet kódolta, ezzel jelentősen csökkentették az anyag polimerbe való beépülését.
Különböző feltételeket is kipróbáltak, például azt, hogy képesek legyenek kétféle aminosav monomerből álló vegyes polimereket létrehozni, illetve nem aminosavakat is beépíteni a keverékbe. További enzimek hozzáadásával sikerült a polimerek hozamát 50 százalék fölé növelni. Azt is kimutatták, hogy mutációk bevezetésével a polimerizációt végző enzim képes több specifikus aminosavat szelektíven beépíteni a keletkező polimerbe.
Az általuk kifejlesztett rendszer figyelemre méltóan rugalmas, és lehetőséget nyújt rengeteg különféle vegyi anyag polimerbe történő beépítésére. Ez lehetővé teszi a műanyag tulajdonságainak széles skálán történő hangolását. Mivel a kötések enzimek segítségével jönnek létre, az így előállított polimerek szinte biztosan biológiailag lebonthatók lesznek.
Vannak azonban kihívások. A folyamat nem teszi lehetővé a polimer összetételének teljes ellenőrzését. Továbbá problémát jelent a polimer megtisztítása a sejt többi alkotóelemétől a gyártás során való alkalmazás előtt. A termelés viszonylag lassúnak számít a nagyüzemi ipari termelés szempontjából.
Tehát ez a technológia még nem áll készen arra, hogy rövid távon kiváltsa a globális műanyaggyártást. Azonban a kutatás jól szemlélteti a biológiai alapú gyártási folyamatokban rejlő potenciált.
