Ofta, resultaten av grundläggande vetenskaplig forskning är många steg bort från en produkt som omedelbart kan presenteras för allmänheten. Men då och då, möjlighet dyker upp tidigt.

Så var fallet för ett team från Department of Energy's Joint BioEnergy Institute (JBEI), vars utanför-box-tänkande när man undersökte mikrobbaserad biotillverkning ledde direkt till en miljövänlig produktionsplattform för ett blått pigment som heter indigoidin. Med en liknande livfullt mättad nyans som syntetisk indigo, ett färgämne som används runt om i världen för att färga denim och många andra föremål, teamets svampproducerade indigoidin skulle kunna utgöra ett alternativ till en till stor del miljöovänlig process.

"Ursprungligen extraherad från växter, mest indigo som används idag är syntetiserad, " sa ledande forskare Aindrila Mukhopadhyay, som leder Host Engineering-teamet på JBEI. "Dessa processer är effektiva och billiga, men de kräver ofta giftiga kemikalier och genererar mycket farligt avfall. Med vårt arbete har vi nu ett sätt att effektivt producera ett blått pigment som använder billiga, hållbara kolkällor istället för hårda prekursorer. Och änsålänge, plattformen kontrollerar många av rutorna i sitt löfte om att skalas upp för kommersiella marknader."

Viktigt, Dessa kommersiella marknader har redan stor efterfrågan på det som forskarna hoppas kunna leverera. Efter att ha träffat många viktiga intressenter inom textilindustrin, teamet fann att många företag är angelägna om mer hållbart framställda pigment eftersom kunderna blir allt mer medvetna om effekterna av konventionella färgämnen. "Det verkar vara en förändring i samhället mot att vilja ha bättre processer för att skapa vardagsprodukter, sa Maren Wehrs, en doktorand vid JBEI och första författare till uppsatsen som beskriver upptäckten, nu publicerad i Grön kemi . "Det är precis vad JBEI försöker göra, med hjälp av verktyg som härrör från biologiska system – det råkar vara så att vår konstruerade biologiska plattform fungerade mycket bra."

Historien började när teamet gav sig i kast med att testa hur väl en härdig svampart som kallas Rhodosporidium toruloides kunde uttrycka icke-ribosomala peptidsyntetaser (NRPS) - stora enzymer som bakterier och svampar använder för att sätta ihop viktiga föreningar. Forskarna undersökte denna svamps NRPS-uttrycksförmåga genom att infoga en bakteriell NRPS i dess genom. De valde en NRPS som omvandlar två aminosyramolekyler till indigoidin – ett blått pigment – ​​för att göra det lätt att avgöra om stamtekniken hade fungerat. Helt enkelt, när det gjorde det, kulturen skulle bli blå.

När jag går in på detta experiment, indigoidin i sig var inte huvudintresset för laget. Istället, de var fokuserade på den större bilden:att undersöka hur monteringslinjens funktionalitet hos dessa enzymer kunde utnyttjas för att skapa biosyntetiska tillverkningsvägar för värdefulla organiska föreningar, som biobränslen, och bedöma huruvida svamparna representerade en bra värdart för produktionen av dessa föreningar eller inte. Men när de odlade sin konstruerade stam, och såg hur blå kulturen var, de visste att något otroligt hade hänt.

Med en genomsnittlig titer på 86 gram indigoidin per liter bioreaktorkultur, utbytet av stammen – som de döpte till Bluebelle – är den överlägset högsta som någonsin rapporterats. (Andra forskargrupper, inklusive JBEI-teamet, har syntetiserat indigoidin med hjälp av olika värdmikrober.) Lägger till vikten av prestationen, den rekordstora avkastningen erhölls från en odlingsprocess som använder näringsämnen och prekursorer från hållbart växtmaterial. Tidigare vägar krävde betydligt dyrare insatser men gjorde ungefär en tiondel av mängden indigoidin.

Utöver de potentiella tillämpningarna av indigoidin, studien lyckades med sitt ursprungliga mål att tillhandahålla en potentiell produktionsväg för andra NRPS – något som är mycket mer värdefullt än någon enskild produkt. Dessa komplexa enzymer har flera underenheter som var och en utför en distinkt och förutsägbar verkan vid sammansättning av en förening av mindre molekyler. Forskare vid JBEI och vidare är angelägna om att konstruera enzymer som använder NRPS:s legoklossliknande funktioner för att producera avancerade bioprodukter som för närvarande är svåra att göra.

"En stor utmaning är att få en mikrob att effektivt uttrycka sådana enzymer. Den här värden har enorm potential att uppfylla det behovet, " sa Mukhopadhyay.

Teamets nästa steg kommer att vara att karakterisera hur indigoidin kan användas som färgämne och att gräva djupare in i R. toruloides kapacitet.