Purpurbakterien werden zu Bioplastikfabriken

In einer Welt, in der Kunststoffe auf Erdölbasis überhandnehmen, suchen Wissenschaftler nach Alternativen, die nachhaltiger, biologisch abbaubarer und weit weniger umweltschädlich sind.

Zwei neue Studien von Biologen der Washington University in St. Louis heben eine potenzielle Quelle bahnbrechender Materialien hervor: Purpurbakterien, die mit ein wenig Ermutigung wie mikroskopische Fabriken für Bioplastik fungieren können.

Eine von dem Doktoranden Eric Conners geleitete Studie ergab, dass zwei relativ unbekannte Arten von Purpurbakterien die Fähigkeit besitzen, Polyhydroxyalkanoate (PHAs) zu produzieren, natürliche Polymere, die gereinigt werden können, um Kunststoff herzustellen.

Eine weitere Studie unter der Leitung der Forschungslaborleiterin Tahina Ranaivoarisoa zeigte, dass eine gut erforschte, aber notorisch störrische Art von Purpurbakterien durch Gentechnik dazu gebracht werden konnte, ihre PHA-Produktion drastisch zu steigern.

Conners und Ranaivoarisoa arbeiten im Labor von Arpita Bose, einer außerordentlichen Professorin für Biologie in den Geistes- und Naturwissenschaften und korrespondierende Autorin der neuen Studien. „Es besteht eine riesige weltweite Nachfrage nach Biokunststoffen“, sagte Bose. „Sie können ohne CO2-Emissionen in die Atmosphäre hergestellt werden und sind vollständig biologisch abbaubar. Diese beiden Studien zeigen, wie wichtig es ist, mehrere Ansätze zu verfolgen, um neue Wege zur Herstellung dieses wertvollen Materials zu finden.“

Purpurbakterien sind eine spezielle Gruppe von Wassermikroben, die für ihre Anpassungsfähigkeit und ihre Fähigkeit bekannt sind, aus einfachen Zutaten nützliche Verbindungen herzustellen. Wie grüne Pflanzen und einige andere Bakterien können sie Kohlendioxid mithilfe von Sonnenenergie in Nahrung umwandeln. Doch statt grünem Chlorophyll verwenden sie andere Pigmente, um Sonnenlicht einzufangen.

Die Bakterien produzieren auf natürliche Weise PHAs und andere Bausteine ​​von Biokunststoffen, um zusätzlichen Kohlenstoff zu speichern. Unter den richtigen Bedingungen können sie diese Polymere unbegrenzt produzieren.

Wie die Biologen der WashU Bericht diese Woche in Mikrobielle Biotechnologiezeigten zwei wenig bekannte Arten von Purpurbakterien der Gattung Rhodomicrobium eine bemerkenswerte Bereitschaft zur Produktion von Polymeren, insbesondere wenn sie mit geringen Mengen Elektrizität angeregt und mit Stickstoff genährt wurden.

„Es lohnt sich, einen Blick auf Bakterien zu werfen, die wir bisher noch nicht untersucht haben“, sagte Conners. „Wir sind noch nicht einmal annähernd an ihr Potenzial herangekommen.“

Rhodomicrobium-Bakterien haben ungewöhnliche Eigenschaften, die sie zu interessanten Kandidaten für die Produktion von Biokunststoffen machen. „Es handelt sich um ein einzigartiges Bakterium, das ganz anders aussieht als andere Purpurbakterien“, sagte Conners. Während einige Arten als einzelne Zellen in Kulturen herumschwimmen, bildet diese spezielle Gattung miteinander verbundene Netzwerke, die besonders gut für die Produktion von PHA geeignet zu sein scheinen.

Auch andere Bakterienarten können mit etwas Hilfe Biokunststoffe herstellen. gemeldet In Angewandte und UmweltmikrobiologieDie Forscher der WashU nutzten Gentechnik, um aus Rhodopseudomonas palustris TIE-1, einer gut erforschten Art, die normalerweise nur zögerlich Polymere produziert, beeindruckende Mengen an PHAs herauszukitzeln. „TIE-1 ist ein großartiger Organismus zum Studieren, aber er war historisch nicht der beste für die Produktion von PHA“, sagte Ranaivoarisoa.

Mehrere genetische Optimierungen trugen dazu bei, die Produktion von PHA zu steigern, doch ein Ansatz war besonders erfolgreich. Die Forscher erzielten beeindruckende Ergebnisse, als sie ein Gen einfügten, das die Produktion des natürlichen Enzyms RuBisCO erhöhte, des Katalysators, der Pflanzen und Bakterien hilft, Kohlenstoff aus Luft und Wasser zu gewinnen.

Mithilfe des hochentwickelten Enzyms verwandelten sich die sonst eher trägen Bakterien in wahre PHA-Kraftpakete. Die Forscher sind optimistisch, dass ein ähnlicher Ansatz auch mit anderen Bakterien möglich sein könnte, die möglicherweise sogar noch höhere Mengen an Bioplastik produzieren könnten.

In naher Zukunft will Bose die Qualität und Einsatzmöglichkeiten der in ihrem Labor hergestellten Polymere genauer unter die Lupe nehmen. „Wir hoffen, dass diese Biokunststoffe in Zukunft echte Lösungen hervorbringen“, so Bose.