Ученый-исследователь Анна Илинен работает над докторской диссертацией по микробным биопластикам в Центре молодых ученых Synbio. Их можно использовать как традиционные пластмассы, но они обладают дополнительным преимуществом, поскольку они биоразлагаемы и полностью основаны на биологических веществах, поэтому они производятся из возобновляемых ресурсов, а не из нефти. Ее цель – производить эти новые биополимеры путем модификации дрожжей и использования побочных потоков лесной промышленности в качестве сырья.
Современное общество полностью зависит от пластмасс на основе ископаемых, с сотнями специально разработанных и очень специфических полимеров, отвечающих тысячам различных потребностей. От мельчайших биомедицинских и электрических приложений до всей нашей цепочки поставок продуктов питания, помимо огромных промышленных применений, пластмассы являются квинтэссенцией в современной жизни.
Во многих сферах применения пластмассы на основе ископаемых хорошо служат своей цели, эффективно перерабатываются и наносят минимальный, если вообще какой-либо ущерб, окружающей среде. Но большая часть пластмасс, несмотря на наши лучшие намерения, попадает в наши океаны и естественные экосистемы. Их следует заменить материалами, которые распадаются, не оставляя вредных остатков. И они должны быть, по возможности, из возобновляемого сырья. Другими словами, биоразлагаемые и биоразлагаемые должны идти рука об руку. Для ученых это создает парадоксальную проблему – как нам создать материалы, которые одновременно устойчивы к воде и при этом действительно разлагаются в воде?
Микробы как фабрики по производству пластика
Решение можно найти в природе, как это часто бывает в синтетической биологии. Исследование докторанта Анны Илинен направлено на разработку пекарских дрожжей для производства водостойких и биоразлагаемых полимеров PHA ( полигидроксиалканоатов). Эти полимеры идеальны, потому что они по сути являются пищей для микробов. Они хранятся в виде небольших гранул внутри клетки и служат резервуаром пищи «на черный день» для самого микроба. Они также защищают микроб от различных стрессовых факторов, таких как ультрафиолетовые лучи и экстремальные температуры.
Различные полимеры PHA обладают разными физическими и химическими свойствами, что делает их возможными заменами различных пластмасс на основе ископаемых. Часть исследований Илинен сосредоточена на дальнейшем изменении свойств полимеров путем изменения их строительных блоков и порядка в полимерной цепи. Цель состоит в том, чтобы создать новые биоразлагаемые полимеры с другими свойствами, например, более прочными, эластичными или более прозрачными, чем раньше.
Разлагающие микробы широко распространены в природе и встречаются, среди прочего, в почвах, морях и озерах. Таким образом, продукт, изготовленный из PHA, выдержит, например, водопроводную воду, но разложится (съеден микробами) в море.
Замена химии клеточной инженерией
Микробы уже десятилетиями помогают нам производить биоразлагаемый биопластик. PLA (полимолочная кислота) производится из молочной кислоты, которая, в свою очередь, производится ферментацией сахаров пекарскими дрожжами или другими микробами.
В настоящее время полимеризация молочной кислоты осуществляется в химическом процессе, требующем энергии и металлических катализаторов. В будущем то же самое можно будет делать с дрожжевыми клетками в биологическом процессе. Способность микроорганизмов к полимеризации некоторое время использовалась в промышленности, но коммерческие объемы производства были умеренными по сравнению с другими пластиками. Кроме того, производство было ограничено, главным образом, несколькими наиболее распространенными типами PHA, встречающимися в природе. Синтетические биологические методы помогают решить многие проблемы, связанные с производством PHA. В будущем, возможно, появится возможность использовать широкий спектр различных побочных потоков и отходов в качестве сырья вместо культивируемых сахаров. Кроме того, свойства материала будут более универсальными, что позволит использовать его во многих различных приложениях. В настоящее время исследования также направлены на повышение эффективности производства и снижение конечных затрат на материалы. Таким образом, больше потребителей получат доступ к этим удивительным материалам в будущем.
Отходы как сырье
Дополнительным преимуществом микробов по сравнению с современными химическими процессами является то, что они естественным образом адаптированы для использования смешанного сырья. Они могут выборочно находить и есть сахар из довольно грязного источника отходов. В стандартных химических процессах смешанные потоки отходов обычно необходимо тщательно обрабатывать для разделения желаемых фракций. В будущем мы могли бы использовать микробы для замены дорогостоящих и энергоемких производственных процессов при использовании гетерогенного сырья в качестве сырья. Дрожжи также естественным образом адаптированы к кислым условиям, что делает их идеальными кандидатами для использования с кислыми промышленными побочными потоками.
Амбиции Анны Илинен – создать дрожжевую клетку, которая будет использовать гемицеллюлозу в качестве сырья. Этот сахар является серьезным побочным продуктом лесной промышленности, и только в Финляндии он ежегодно достигает 1,75 миллионов тонн. Гемицеллюлоза распадается во время обработки на множество различных соединений, включая органические (гидрокси) кислоты, такие как молочная кислота, которые затем могут использоваться дрожжевыми клетками для производства ФГА.