Forskare vid ETH Zürich har konstruerat bakterier i laboratoriet för att effektivt använda metanol. Dessa bakteriers metabolism kan nu utnyttjas för att producera värdefulla produkter som för närvarande tillverkas av den kemiska industrin från fossila bränslen.
För att producera olika kemikalier som plast, färgämnen eller artificiella smakämnen är den kemiska industrin för närvarande mycket beroende av fossila resurser som råolja. "Globalt förbrukar den 500 miljoner ton per år, eller mer än en miljon ton per dag", säger Julia Vorholt, professor vid Institutet för mikrobiologi vid ETH Zürich.
"Eftersom dessa kemiska omvandlingar är energikrävande, den sanna CO2 den kemiska industrins fotavtryck är till och med sex till tio gånger större, vilket motsvarar cirka fem procent av de totala utsläppen globalt." Hon och hennes team letar efter sätt att minska den kemiska industrins beroende av fossila bränslen.
Bakterier som livnär sig på metanol, kända som metylotrofer, är i centrum för dessa ansträngningar. Metanol som bara innehåller en enda kolatom är en av de enklaste organiska molekylerna och kan syntetiseras från växthusgasen koldioxid och vatten. Om energin för denna syntesreaktion kommer från förnybara källor kallas metanolen "grön".
– Det finns naturliga metylotrofer, men att använda dem industriellt är fortfarande svårt trots stora forskningsansträngningar, säger Michael Reiter, postdoktor i Vorholts forskargrupp, som istället arbetar med den biotekniskt välkända modellbakterien Escherichia coli. Vorholts team har drivit idén om att utrusta modellbakterien, som växer på socker, med förmågan att metabolisera metanol i flera år.
"Detta är en stor utmaning eftersom det kräver en fullständig omstrukturering av cellens ämnesomsättning", säger Vorholt. Inledningsvis simulerade forskarna denna förändring med hjälp av datormodeller. Baserat på dessa simuleringar valde de två gener att ta bort och tre nya gener att introducera. "Som ett resultat kunde bakterierna ta upp metanol, om än bara i små mängder", säger Reiter.
De fortsatte att odla bakterierna under speciella förhållanden i laboratoriet i mer än ett år tills mikroberna kunde producera alla cellkomponenter från metanol. Under loppet av ytterligare cirka 1 000 generationer blev dessa syntetiska metylotrofer allt mer effektiva och fördubblades så småningom var fjärde timme när de endast matades med metanol. "Den förbättrade tillväxthastigheten gör bakterierna ekonomiskt intressanta", säger Vorholt.
Som Vorholts team beskriver i sin Naturkatalys papper, är flera slumpmässigt förekommande mutationer ansvariga för den ökade effektiviteten av metanolanvändning. De flesta av dessa mutationer resulterade i förlust av funktion hos olika gener.
Detta är överraskande vid första anblicken, men vid närmare granskning blir det uppenbart att cellerna kan spara energi tack vare förlusten av genernas funktion. Till exempel orsakar vissa mutationer att de omvända reaktionerna av viktiga biokemiska reaktioner misslyckas. "Detta tar bort överflödiga kemiska omvandlingar och optimerar det metabola flödet i cellerna", skriver forskarna.
För att utforska potentialen hos syntetiska metylotrofer för bioteknisk produktion av industriellt relevanta bulkemikalier, har Vorholt och hennes team utrustat bakterierna med ytterligare gener för fyra olika biosyntetiska vägar. I sin studie visar de nu att bakterierna verkligen producerade de önskade föreningarna i alla fall.
För forskarna är detta ett tydligt bevis på att deras konstruerade bakterier kan leverera vad som ursprungligen lovades:mikroberna är en sorts mycket mångsidig produktionsplattform i vilken biosyntesmoduler kan infogas enligt "plug-and-play"-principen, vilket föranleder bakterierna för att omvandla metanol till önskade biokemiska ämnen.
Men forskarna behöver fortfarande öka avkastningen och produktiviteten avsevärt för att möjliggöra en ekonomiskt lönsam användning av bakterierna. Vorholt och hennes team fick nyligen en innovationsfond "för att ytterligare utöka planerna mot applikationer och för att välja produkter att fokusera på först", säger Vorholt.
När Reiter berättar om hur odlingen av bakterier i bioreaktorer kan optimeras fylls han av entusiasm. "Med tanke på utmaningarna med klimatförändringarna är det tydligt att alternativ till fossila resurser behövs", säger han.
"Vi utvecklar en teknik som inte släpper ut ytterligare CO2 ut i atmosfären", säger Reiter. Och eftersom de syntetiska metylotroferna, förutom grön metanol, inte kräver några ytterligare kolkällor för sin tillväxt och produkter, tillåter de att "förnybara kemikalier produceras som inte belastar miljön."
Mer information: Michael A. Reiter et al, A syntetisk methylotrophic Escherichia coli som ett chassi för bioproduktion från metanol, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-024-01137-0
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av ETH Zürich
