Microbiologie in hapklare porties
Microben die nuttige chemicaliën uit de lucht halen
Een groep onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk, Duitsland en de Verenigde Staten heeft de bacterie Cupriavidus necator H16 zo gemanipuleerd dat hij CO2 uit de atmosfeer kan helpen vastleggen – en dit alles terwijl hij het omzet in mevalonaat, een essentiële precursor voor moleculen zoals cholesterol, steroïden en celwandcomponenten, en daarom een nuttige chemische stof voor de productie van geneesmiddelen.
Microscopische fabrieken draaien op suiker
In de biotechnologische industrie worden microben gebruikt als kleine fabriekjes om allerlei chemicaliën te produceren, van antibiotica tot biobrandstoffen. Meestal is het voedsel dat ze nodig hebben een soort suiker, zoals glucose of sucrose. De microben gebruiken deze suikers als een bron van koolstof, die ze nodig hebben om te groeien en om ons te voorzien van de chemicaliën die we ze laten maken. Maar wat als er een koolstofbron was die veel gemakkelijker te verkrijgen is, een die letterlijk overal om ons heen is?
Broeikasgassen als deken van de aarde
De belangrijkste oorzaak van klimaatverandering is de toegenomen hoeveelheid broeikasgassen, zoals CO2 en methaan, in de atmosfeer. Ze werken als de deken van de aarde, houden warmte onder zich en verhogen de temperatuur op aarde. Om de verwoestende effecten van de opwarming van de aarde op onze planeet aan te pakken, kunnen we twee dingen doen: (a) onze uitstoot van deze gassen verminderen om ervoor te zorgen dat hun concentraties in de atmosfeer niet zo snel stijgen als tot nu toe het geval is geweest, en (b) de gassen die al in de atmosfeer aanwezig zijn, opvangen. Een internationale groep onderzoekers stelt een mogelijke win-winsituatie voor: een microbe die kan overleven op CO2 als enige koolstofbron, en deze gebruikt om chemicaliën te maken die waardevol zijn voor de productie van geneesmiddelen. Op deze manier wordt CO2 uit de atmosfeer niet alleen opgevangen, maar ook omgezet in een nuttig product.
De vergeetachtige bacterie die zijn eigen voedsel maakt
De microbe in kwestie is Cupriavidus necator H16, een facultatieve chemolithoautotroof die in staat is om te groeien op basis van alleen CO2 en H2 (waterstofgas). Autotrofe organismen zijn ‘zelfvoeders’: ze kunnen in wezen hun eigen voedsel maken door organische verbindingen, zoals glucose, te synthetiseren uit CO2. Het niet-pluis karakter van C. necator H16 maakt het erg interessant voor de biotechnologische industrie, maar er zit een addertje onder het gras: als de bacterie wordt verteld hoe ze een bepaald product moet maken, is ze niet zo goed in het onthouden van die instructies. Met andere woorden, als de bacterie een plasmide krijgt dat de informatie bevat over welk product hij moet maken en hoe, heeft hij moeite met het onderhouden van dat plasmide. Tot nu toe maakte deze vergeetachtigheid het lastig om C. necator H16 te gebruiken als microbiële celfabriek in de biotechnologische industrie. Maar Garavaglia et al. kwamen met een oplossing: het gebruik van een methode die plasmideverslavingssysteem wordt genoemd.
Degenen met een goed geheugen overleven
Wanneer onderzoekers een bacterie leren om een stof te maken die het van nature niet maakt, gebruiken ze vaak horizontale genoverdracht (HGT) om het organisme instructies te geven. Tijdens HGT wordt een nieuw stuk genetische informatie, meestal in de vorm van een plasmide (een klein cirkelvormig stukje DNA) met de benodigde instructies, in de bacterie gebracht. Soms hebben microben moeite om het plasmide na verloop van tijd te bewaren en geven ze het niet door aan volgende generaties – ze verliezen de instructies of vergeten ze, net als in het geval van C. necator H16. In dit onderzoek gaven de onderzoekers de bacterie instructies om mevalonaat te maken met behulp van CO2. Om er zeker van te zijn dat alle bacteriën in hun experiment het plasmide hadden en mevalonaat konden produceren, gebruikten ze de plasmide addictie systeem (PAS) methode – zoals de naam al aangeeft, werd de bacterie afhankelijk van het plasmide om te overleven.
Een plasmide waar je niet zonder kunt
De eenvoudigste manier om ervoor te zorgen dat een bacterie een plasmide niet kwijtraakt, is om zijn leven ervan af te laten hangen. Er zijn verschillende soorten PAS; de methode die de onderzoekers in dit onderzoek hebben gebruikt heet ‘essentiële genaanvulling’. Bij deze methode creëren de wetenschappers eerst een knock-out stam van C. necator H16 door een gen uit het genoom te verwijderen. In dit geval codeert dat gen voor RubisCO – een enzym dat de microbe absoluut nodig heeft om te kunnen overleven op CO2. Zonder dit gen zal de knock-outstam sterven – tenzij hij natuurlijk exact hetzelfde RubisCO-coderende gen op een plasmide krijgt! Als dit het plasmide is dat ook instructies bevat over hoe mevalonaat te maken, zal de bacterie deze instructies altijd ‘onthouden’ – want als hij het plasmide verliest, zal hij niet langer in staat zijn om het essentiële RubisCO te maken en sterven.
Vereenvoudigd diagram van gemanipuleerde C. necator H16. Afbeeldingsbron: aangepast van Garavaglia et al., 2024. Geïllustreerd door Michaela Krupová met Krita 5.0.6.
Een win-winsituatie
De onderzoekers melden dat ze in dit onderzoek in staat waren om de grootste hoeveelheid van een C6-verbinding (groot organisch molecuul dat bestaat uit zes koolstofatomen, zoals mevalonaat) te produceren uit een C1-molecuul (dat slechts één koolstofatoom bevat, zoals CO2) dan enig ander onderzoek ooit eerder heeft gedaan. Normaal gesproken wordt mevalonaat in de industrie geproduceerd uit organische koolstofbronnen, zoals glucose. Door in plaats daarvan CO2 te gebruiken zou de productie ervan, en van veel andere verbindingen, goedkoper en duurzamer worden, terwijl tegelijkertijd de hoeveelheid van het ongewenste broeikasgas in onze atmosfeer wordt verminderd.
Link to the original post: Garavaglia, M., McGregor, C., Reddy Bommareddy, R., Irorere, V., Arenas, C., Robazza, A., Minton, N. P., Kovacs, K. Stable Platform for Mevalonate Bioproduction from CO2. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2024 12 (36), 13486-13499. doi: 10.1021/acssuschemeng.4c03561
Featured image: Illustrated by the author using Krita 5.0.6
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 