Microbiologie in hapklare porties
Fotosynthetische “levende verf” blaast leven in groene toekomst
Wat als een micro-organisme ons zou kunnen helpen beter te ademen, op aarde en in de ruimte?
Sinds de industriële revolutie is kooldioxide (CO2) in de atmosfeer met 32% toegenomen. Duizenden jaren lang bereikte de fluctuerende CO2-uitstoot in de atmosfeer nooit de 300 parts-per-million (ppm) – maar slechts 160 jaar van industriële menselijke activiteit heeft dat record verbroken. Atmosferische CO2 is nu meer dan 410 ppm. Als een belangrijk broeikasgas wordt CO2 gezien als een belangrijke veroorzaker van de opwarming van de aarde, een fenomeen dat verantwoordelijk is voor meer stormen met een hogere intensiteit, een stijgende zeespiegel, het smelten van gletsjers, droogtes, extreme temperaturen en andere dramatische klimaatveranderingen.
De wetenschappelijke gemeenschap erkent al lang het bestaan van klimaatverandering en de rol van de mens daarin, en zoekt al tientallen jaren naar oplossingen. Hoewel de politiek wereldwijd langzamer aan het roer staat, is er de laatste jaren een opvallende toename van klimaatgericht beleid. Desondanks voorspelt het Intergovernmental Panel on Climate Change nog steeds een wereldwijde gemiddelde temperatuurstijging van 1,5 C boven het pre-industriële niveau in 2030 – een temperatuur waarboven de klimaatextremen door de opwarming van de aarde naar verwachting sterk zullen toenemen. Maar naarmate de urgentie van het probleem toeneemt, neemt ook de creativiteit van wetenschappers toe bij het bedenken van manieren om het probleem aan te pakken.
Een recent onderzoek, gepubliceerd in Microbiology Spectrum, confronteert het kolossale met het microscopische. Onderzoekers erkenden de noodzaak om meer koolstofvastleggingstechnologieën te ontwikkelen – manieren om CO2 uit de lucht te halen en op te slaan om atmosferische ophoping te voorkomen of om te zetten in iets nuttigs. Bio-raffinaderijen gebruiken microbiologie om dit te bereiken: door dichte culturen van specifieke microben onder bepaalde omstandigheden te kweken, kunnen biobrandstoffen en andere waardevolle producten worden geproduceerd. Bio-raffinaderijen hebben echter twee grote tekortkomingen: ten eerste het niet-duurzame watergebruik dat nodig is voor het kweken van bacteriën; en ten tweede het risico van fenotypische instabiliteit – waarbij de bacteriën door de snelle, dichte groei muteren totdat een stam zonder de vereiste capaciteiten voor het maken van stoffen in de bio-raffinaderij de oorspronkelijke stam overneemt.
De auteurs van het artikel in Microbiology Spectrum probeerden een koolstofvangend biomateriaal te ontwikkelen dat deze uitdagingen zou overwinnen, iets dat een micro-organisme gebruikt om atmosferisch CO2 om te zetten in zuurstof zonder dat er waterintensief onderhoud nodig is – terwijl de populatie van de microben op een niveau van stapsgewijze langzame groei wordt gehouden om het risico van fenotypische instabiliteit te verlagen.
Hun oplossing? “Groene levende verf” – een dunne, poreuze, veerkrachtige, koolstofvangende biocoating ingebed met een extremofiele fotosynthetische cyanobacterie.
Wat is biocoating – en hoe hebben ze het gemaakt?
Een biocoating maakt gebruik van een synthetisch polymeermateriaal waarin metabolisch actieve, maar niet-groeiende bacteriën zijn ingebed. Na de productie kan de biocoating droog worden opgeslagen of verzonden, terwijl de bacteriën slapend blijven. Bij rehydratie zullen de bacteriën weer tot leven komen.
De onderzoeksgroep had eerder al een verhouding van polymeren uitgewerkt om een “synthetisch colloid polymeer” latexmateriaal te maken dat sterk genoeg is om sterke biocoatings te maken. Een colloid is een mengsel van zeer kleine deeltjes van een stof die gelijkmatig verdeeld zijn over een andere stof. De onderzoekers gebruikten latex met een relatief hoge glasovergangstemperatuur (Tg), de temperatuur waarbij een polymeer verandert van glasachtige hardheid naar een zachtere, flexibelere toestand. Het gebruik van latex met een hoge Tg betekende dat de uiteindelijke biocoating na productie stijf en duurzaam was bij omgevingstemperaturen.
De latex werd gemengd met nanobuisjes gemaakt van halloysiet, een natuurlijk kleimineraal. Halloysiet nanobuisjes hebben hun nut bewezen in een reeks toepassingen, van het toedienen van biofarmaceutische medicijnen tot het versterken van synthetische materialen. Hier maakte het mengen van latex met halloysiet de biocoating poreus genoeg om het leven van cyanobacteriën in stand te houden – door zuurstof en andere voedingsstoffen toe te laten – zonder de duurzaamheid in gevaar te brengen. Het uiteindelijke resultaat van het op de juiste manier mengen van latex, halloysiet-nanobuisjes en bacteriën resulteerde in een dunne, harde, in bacteriën ingebedde biocoating (afbeelding 1).
Which cyanobacteria, and why?
Welke cyanobacteriën, en waarom?
Cyanobacteriën zijn oude, fotosynthetische, eencellige micro-organismen. Hun vermogen om van nature kooldioxide “in te ademen” en zuurstof “uit te ademen” – net als bomen – en hun snelle groei (waardoor ze eenvoudig gekweekt kunnen worden), hun vermogen om te overleven in ruwe omgevingen en de beschikbaarheid van genetische hulpmiddelen om ze te bestuderen, hebben cyanobacteriën tot een ideale kandidaat gemaakt voor gebruik in de biotechnologie voor het vastleggen van koolstof.
Voor hun biocoating hadden de onderzoekers soorten nodig die het stressvolle productieproces van de biocoating waarschijnlijk zouden overleven. Ze kozen drie soorten die bekend staan om hun veerkracht: een mariene (Synechococcus sp. PCC 7002) en een zoetwatersoort (Synechocystis sp. PCC 6803), die beide bekend staan om hun hoge zouttolerantie, en een soort (Chroococcidiopsis cubana PCC 7433) uit een extremofiele bacteriëngroep die bekend staat om het leven op rotsen en het gedijen bij uitdroging en straling.
Experimenten en resultaten:
Onderzoekers maten de hardheid van de biocoating en controleerden of de latex niet giftig was voor de bacteriën. Daarna gebruikten ze elektronenmicroscopie en energie-dispersieve röntgenspectroscopie om respectievelijk de individuele componenten van de biocoating te visualiseren en de samenstelling van de biocoating op elementair niveau te beoordelen. Zodra deze tests bevestigden dat hun biocoatings uit de juiste componenten in de juiste verhoudingen bestonden, onderzochten ze hun biocoatings met confocale laserscanningmicroscopie. In gewoon licht reflecteren chlorofylpigmenten groen licht en zien er dus groen uit, maar onder de lasers van de microscoop fluoresceert chlorofyl van nature rood. Onderzoekers zagen dat de meeste cyanobacteriën in hun biocoatings rood oplichtten onder de microscoop, wat bevestigt dat ze hun pigmenten behielden (Afbeelding 2).
Het behoud van pigmenten stond echter niet noodzakelijkerwijs gelijk aan levensvatbaarheid, dus testten de onderzoekers vervolgens hoe goed hun cyanobacteriën het zware productieproces van de biofilm overleefden. De mariene soort had een lage levensvatbaarheid, wat aangaf dat het de uitdroging van de productie van biocoating niet overleefde, terwijl de zoetwatersoort het iets beter deed. Opwindend genoeg gedijde de extremofiele cyanobacterie – zelfs na een maand te zijn uitgedroogd, was deze al na een week in staat om te herleven op een vers groeimedium.
Tot slot maten de auteurs de zuurstofproductie van de biocoatings in de loop van de tijd. Biocoatings met zee- of zoetwatersoorten waren niet in staat om zuurstof te produceren (wat logisch is, aangezien ze grotendeels dood waren). Ondertussen vertoonde de biocoating van de extremofiele cyanobacterie een aanzienlijke zuurstofproductie. Op het hoogtepunt produceerde deze Chroococcidiopsis cubana biocoating tot 0,4 gram zuurstof per dag per gram cyanobacteriële biomassa, allemaal uit opgevangen CO2. Na 27 dagen, toen ze hun experiment beëindigden, produceerde de Chroococcidiopsis cubana biocoating nog steeds zuurstof (Figuur 3).
Tot slot
Auteurs van het artikel benadrukken dat fotosynthetische biocoatings zoals die van hen brede toepassingen zouden kunnen hebben – buiten klimaatverandering en zelfs buiten de aarde, mogelijk als een manier om ademlucht te regenereren op ruimtestations. Bovendien is alleen al de ontwikkeling van een koolstofvangende, zuurstofproducerende “Living Green Paint” een opwindende stap voorwaarts in de richting van een toekomst waarin klimaatverandering wordt gemitigeerd, evenals in de richting van wetenschappelijke inspanningen die creatieve biotechnologie verder doordrenken met de opmerkelijke microben van de aarde.
Link to the original post: Krings, S., Chen, Y., Keddie, J. L., & Hingley-Wilson, S. (2023). Oxygen evolution from extremophilic cyanobacteria confined in hard biocoatings. Microbiology Spectrum, 11(5). https://doi.org/10.1128/SPECTRUM.01870-23
Featured image: Krings et al., 2023
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 