Forskare från TU Graz och Ruhr University Bochum visar i tidskriften ACS-katalys hur den katalytiska aktiviteten hos cyanobakterier, även känd som blågröna alger, kan ökas avsevärt. Detta för bioteknologisk och därmed miljövänlig tillämpning ett stort steg närmare.

Cyanobakterier, trots att de färgar vattengrönt genom sina speciella pigment, är i dagligt tal kända som "blågröna alger, " och omvandlar ljusenergi till kemisk energi särskilt effektivt tack vare deras högaktiva fotosyntetiska celler. Detta gör dem attraktiva för bioteknisk tillämpning, där de skulle kunna användas som miljövänliga och lättillgängliga biokatalysatorer för framställning av nya kemikalier med användning av specifikt införda enzymer.

Begränsad ljustillgång

Det som låter bra i teorin, står fortfarande inför hinder i den praktiska storskaliga tekniska implementeringen. En avgörande begränsande faktor är för närvarande tillgången på ljus, som Robert Kourist från Institute of Molecular Biotechnology vid Graz University of Technology förklarar:"När cyanobakterier är tätt odlade, dvs i höga koncentrationer, endast cellerna som finns på utsidan får tillräckligt med ljus. Inuti är det ganska mörkt. Detta innebär att mängden katalysator inte kan ökas efter behag. Efter en celltäthet på några gram per liter, den fotosyntetiska aktiviteten och därmed cellernas produktivitet minskar kraftigt. Detta är naturligtvis en avsevärd nackdel för storskalig bioteknisk produktion." tidigare etablerade biokatalysatorer som jäst kan användas med celldensiteter på 50 gram per liter och mer. De etablerade produktionsorganismerna har den stora nackdelen att de är beroende av jordbruksprodukter som grund för tillväxt och därmed förbrukar många resurser. "Algbaserade katalysatorer kan odlas från vatten och CO ₂ , så de är "gröna" i en dubbel mening. Av denna anledning, intensiva ansträngningar pågår för att öka den katalytiska prestandan hos cyanobakterier, sa Kourist.

Att bättre utnyttja tillgängligt ljus

Tillsammans med Ruhr-universitetet i Bochum och Finlands universitet i Åbo, algerarbetsgruppen vid TU Graz har nu lyckats öka just denna katalytiska prestanda genom att specifikt omdirigera det fotosyntetiska elektronflödet till den önskade katalytiska funktionen. "För första gången, vi kunde mäta tillgången på fotosyntetisk energi direkt i cellerna på ett tidsupplöst sätt så att vi kunde identifiera flaskhalsar i ämnesomsättningen, " förklarar Marc Nowaczyk från ordföranden för växtbiokemi vid Ruhruniversitetet i Bochum. "Vi har stängt av ett system i genomet av cyanobakterien som ska skydda cellen från fluktuerande ljus. Detta system är inte nödvändigt under kontrollerade odlingsförhållanden, men förbrukar fotosyntetisk energi. Energi som vi föredrar att lägga i målreaktionen, " förklarar Hanna Büchsenschütz, doktorand vid TU Graz och första författare till studien. På det här sättet, problemet med låg produktivitet hos cyanobakterier på grund av höga celldensiteter kan lösas. "För att uttrycka det på ett annat sätt, vi kan bara använda en viss mängd celler. Det är därför vi måste få cellerna att gå snabbare. Vi har utvecklat en metod med så kallad metabolic engineering som gör cyanobakterier mycket mer mogna för bioteknisk tillämpning, sa Kourist.

Förutom att öka produktiviteten hos själva cellen genom riktade ingrepp på gennivå, Graz-forskarna arbetar också med nya koncept för algodlingsprocessen. Ett tillvägagångssätt är att införa ljuskällor direkt i cellsuspensionen, till exempel via mini-LED. Det experimenteras också med nya geometrier. Således, cyanobakterier i form av inkapslade små sfärer, så kallade "pärlor, " kan absorbera mer ljus överlag. Robert Kourist kommenterar:"Det är mycket viktigt att utveckla alla åtgärder på vägen mot storskalig industriell tillämpning av algbaserade biokatalysatorer på ett integrerat sätt. Detta är bara möjligt med tvärvetenskaplig forskning som ser på funktionen av ett enzym på samma sätt som vi ser på ingenjörskonst i den fotosyntetiska cellen."