Jak przekształcić bakterie w fabryki pigmentu?
Ksantommatyna to wyjątkowy barwnik występujący nie tylko u ośmiornic, ale także odpowiadający za pomarańczowe ubarwienie skrzydeł motyli z gatunku Danaus plexippus i czerwone zabarwienie ciał ważek. Dotychczasowe próby syntezy tego związku napotykały na poważne trudności techniczne.
Wcześniejsze próby wytworzenia pigmentu były notorycznie nieefektywne, zazwyczaj produkując tylko około pięciu miligramów na litr – jeśli się poszczęściło – objaśnia Leah Bushin, współautorka badań
Czytaj też: Ukryty mieszkaniec kalifornijskich wydm. Naukowcy odkryli nowy gatunek pająka
Kalifornijski zespół zastosował podejście nazwane biosyntezą sprzężoną ze wzrostem. Metoda polega na genetycznej modyfikacji bakterii Pseudomonas putida w taki sposób, iż produkcja ksantommatyny stała się warunkiem ich przetrwania. To biologiczny mechanizm zmuszający mikroorganizmy do ciągłej produkcji pożądanego związku. System działa na zasadzie zamkniętej pętli. Bakterie w procesie wytwarzania pigmentu uwalniają kwas mrówkowy, który następnie służy im jako źródło energii do wzrostu. Brak produkcji ksantommatyny uniemożliwia wytworzenie kwasu, co z kolei blokuje rozwój komórek. Naukowcy nie ograniczyli się do modyfikacji genetycznej. Wykorzystali również zrobotyzowane systemy laboratoryjne i zaawansowane narzędzia bioinformatyczne do identyfikacji kluczowych mutacji. Dzięki temu udało się zwiększyć wydajność produkcji z zaledwie 5 miligramów na litr do imponujących 1-3 gramów na litr.
Zastosowania od technologii wojskowej po kosmetykę
Potencjalne wykorzystanie ksantommatyny obejmuje różne sektory przemysłu. Departament Obrony USA wyraził zainteresowanie naturalnymi właściwościami kamuflażowymi pigmentu, co nie dziwi biorąc pod uwagę, że projekt otrzymał dofinansowanie od Office of Naval Research. Technologie adaptacyjnego maskowania mogą stać się rzeczywistością w ciągu najbliższych lat. Przemysł kosmetyczny bada możliwość wykorzystania związku w ekologicznych filtrach UV. Pigment naturalnie blokuje promieniowanie ultrafioletowe, co czyni go potencjalnym składnikiem zrównoważonych produktów do pielęgnacji skóry.
Czytaj też: Kula śmierci z antarktycznych głębin. Nowy gatunek gąbki poluje zamiast filtrować wodę
Inne obszary zastosowań obejmują inteligentne farby zmieniające kolor, urządzenia fotoelektroniczne, zaawansowane powłoki termiczne oraz czujniki środowiskowe. Branża tekstylna widzi potencjał w tworzeniu naturalnych barwników o unikalnych właściwościach.
Naprawdę zmieniliśmy sposób myślenia o inżynierii komórek. Ta nowa metoda rozwiązuje problem podaży i może teraz znacznie szerzej udostępnić ten biomateriał – dodaje Bradley Moore, główny autor badań
Możliwości dla bioprodukcji
Osiągnięcie kalifornijskich naukowców wykracza poza samą produkcję pigmentu. Demonstruje ono potencjał inżynierii metabolicznej w tworzeniu materiałów przyszłości. Zamiast energochłonnych procesów chemicznych wymagających wysokich temperatur i toksycznych rozpuszczalników, mamy biologiczną produkcję w łagodnych warunkach. Jak dodaje zaangażowany w projekt Adam Feist, daje on wgląd w przyszłość, w której biologia umożliwia zrównoważoną produkcję cennych związków i materiałów poprzez zaawansowaną automatyzację, integrację danych i projektowanie oparte na obliczeniach W obliczu rosnącej populacji i zwiększającej się presji na środowisko naturalne, takie bioinspirowane rozwiązania mogą zyskać na znaczeniu.