Wissenschaftler aus Birmingham haben in einem heute in veröffentlichten Artikel eine neue Methode zur Steigerung der Effizienz in der Biokatalyse vorgestellt Materialien Horizonte.
Die Biokatalyse verwendet Enzyme, Zellen oder Mikroben, um chemische Reaktionen zu katalysieren, und wird in Umgebungen wie der Lebensmittel- und chemischen Industrie verwendet, um Produkte herzustellen, die durch chemische Synthese nicht zugänglich sind. Es kann Pharmazeutika, Feinchemikalien oder Lebensmittelzutaten im industriellen Maßstab produzieren.
Eine große Herausforderung bei der Biokatalyse besteht jedoch darin, dass die am häufigsten verwendeten Mikroben, wie Probiotika und nicht pathogene Stämme von Escherichia coli, nicht unbedingt gut in der Bildung von Biofilmen sind, den wachstumsfördernden Ökosystemen, die eine schützende Mikroumgebung um Gemeinschaften von Mikroben bilden und ihre Widerstandsfähigkeit erhöhen und so die Produktivität steigern.
Dieses Problem wird normalerweise durch Gentechnik gelöst, aber die Forscher Dr. Tim Overton von der School of Chemical Engineering der Universität und Dr. Francisco Fernández Trillo von der School of Chemistry, die beide Mitglieder des Instituts für Mikrobiologie und Infektion sind, machten sich daran eine alternative Methode zu schaffen, um diesen kostspieligen und zeitaufwändigen Prozess zu umgehen.
Die Forscher identifizierten eine Bibliothek synthetischer Polymere und untersuchten sie auf ihre Fähigkeit, die Bildung von Biofilmen in E. coli zu induzieren, einem Bakterium, das einer der am häufigsten untersuchten Mikroorganismen ist und häufig in der Biokatalyse verwendet wird.
Bei diesem Screening wurde ein Stamm von E. coli (MC4100) verwendet, der in der Grundlagenforschung weit verbreitet ist, um Gene und Proteine zu untersuchen, und der bekanntermaßen schlecht in der Bildung von Biofilmen ist, und mit einem anderen E. coli-Stamm PHL644 verglichen, einem isogenen Stamm, der durch erhalten wurde Evolution, die ein guter Biofilmbildner ist.
Dieses Screening ergab die Chemien, die am besten zur Stimulierung der Biofilmbildung geeignet sind. Hydrophobe Polymere übertrafen leicht kationische Polymere, wobei aromatische und heteroaromatische Derivate viel besser abschnitten als die entsprechenden aliphatischen Polymere.
Die Forscher überwachten dann die Biomasse und die biokatalytische Aktivität beider Stämme, inkubierten das Vorhandensein dieser Polymere und stellten fest, dass MC4100 PHL644 entsprach und sogar übertraf.
Weitere Studien untersuchten, wie die Polymere diese starken Aktivitätssteigerungen stimulieren. Hier zeigte die Forschung, dass die Polymere in Lösung ausfallen und als Gerinnungsmittel wirken, wodurch ein natürlicher Prozess namens Ausflockung stimuliert wird, der Bakterien dazu veranlasst, Biofilme zu bilden.
Dr. Fernandez-Trillo sagte: „Wir haben einen breiten chemischen Raum erkundet und die leistungsfähigsten Chemikalien und Polymere identifiziert, die die biokatalytische Aktivität von E. coli, einem Arbeitspferd in der Biotechnologie, steigern. Dies hat zu einer kleinen Bibliothek synthetischer Polymere geführt, die den Biofilm erhöhen Bildung, wenn sie als einfache Zusätze zur mikrobiellen Kultur verwendet werden. Nach unserem besten Wissen gibt es derzeit keine Methoden, die diese Einfachheit und Vielseitigkeit bei der Förderung von Biofilmen für nützliche Bakterien bieten.“
„Diese synthetischen Polymere können die Notwendigkeit umgehen, die Merkmale für die Biofilmbildung durch Gen-Editierung einzuführen, was kostspielig, zeitaufwändig und nicht umkehrbar ist und einen Fachmann für Mikrobiologie erfordert, um es umzusetzen. Wir glauben, dass dieser Ansatz Auswirkungen hat, die über Biofilme hinausgehen für die Biokatalyse. Eine ähnliche Strategie könnte angewendet werden, um Kandidatenpolymere für andere Mikroorganismen wie Probiotika oder Hefen zu identifizieren und neue Anwendungen in der Lebensmittelwissenschaft, Landwirtschaft, biologischen Sanierung oder Gesundheit zu entwickeln.“
University of Birmingham Enterprise hat eine Patentanmeldung für das Verfahren und die Polymeradditive eingereicht und sucht nun Handelspartner für die Lizenzierung.
Pavan Adoni et al, Polymer-induzierte Biofilme für verbesserte Biokatalyse, Materialien Horizonte (2022). DOI: 10.1039/D2MH00607C