Исследователь Жан-Пол Мейнен «обучил» бактерии успешно превращать сахар в овощах, фруктах и отходах садоводства в высококачественные экологически чистые продукты, как биопластик. Сегодня биопластик является предметом значительного интереса. Технические проблемы, связанные с превращением картофельных очистков в солнечные очки или тростникового сахара в автомобильный бампер, уже решены. Однако, существующие методы не очень эффективны: лишь небольшую часть сахаров можно превратить в ценные продукты. Приспособив способ питания бактерий и, следовательно, обучив их, Мейнену удалось превратить сахар в перерабатываемый материал, избежав, таким образом, какой-либо утери биологических отходов, образующихся в пищевой промышленности. Таким материалом является лигноцеллюлоза, сложное соединение лигнина и целлюлозы, присутствующее в стволах и листьях растений и обеспечивающее им жесткость. Гидролиз лигноцеллюлозы разрывает длинные цепи сахара, образующих основу этого материала, и высвобождает отдельные молекулы сахара. Они в дальнейшем могут перерабатываться бактериями или другими микроорганизмами, в результате чего образуется химическое вещество, являющееся основой биопластика. Плод растения, такого как кукуруза, можно потреблять в пищу, в то время как неиспользованные отходы, такие как лигноцеллюлоза, становятся сырьем для биопластика.

Удешевление процесса

«К сожалению, производство пластика из биологических отходов довольно дорогой процесс, потому что используемый материал утилизируется не полностью», – объясняет Жан-Пол Мейнен. (Следует отметить, что мы сейчас говорим о сельскохозяйственных биологических отходах, а не отходах садоводства, перерабатываемых в домашних условиях.) Предварительная обработка этих биологических отходов ведет к производству разных типов сахаров, таких как глюкоза, ксилоза и арабиноза. Эти три типа составляют около 80 процентов всех сахаров в биологических отходах. Проблема состоит в том, что бактерия Pseudomonas putida S12, с которой работал Мейнен, может перерабатывать только глюкозу, но не ксилозу или арабинозу. В результате четверть от 80 процентов остается неиспользованной. Логическим путем решения вопроса об удешевлении производства биопластика является «обучение» бактерий перерабатывать также ксилозу и арабинозу.

Ферменты Т

Ксилозу необходимо «подготовить» к обработке бактерией Pseudomonas putida S12. Это делается при помощи определенных ферментов. Бактерия генетически модифицируется путем внесения определенных фрагментов ДНК в клетку; это дает возможность производить ферменты, которые помогают превратить ксилозу в молекулу для переработки бактерией. Мейнену удалось достигнуть этого путем внесения двух генов другой бактерии (E. coli).

Эволюция

Этот метод сработал, но не достаточно эффективно: только 20 процентов имеющейся ксилозы были переработаны. В связи с этим появилась необходимость далее «обучать» модифицированные бактерии перерабатывать больше ксилозы. Для этого Мейнен подверг их эволюционному процессу, успешно отобрав те, которые проявляли наибольшую активность. Через три месяца после этого улучшения бактерии могли быстро перерабатывать в среднем всю имеющуюся ксилозу. И к удивлению эти «обученные» бактерии смогли перерабатывать также арабинозу, оказавшись, таким образом, способными иметь дело со всеми тремя основными типами сахаров в биологических отходах. Мейнен также внес другие гены, бактерии Caulobacter crescentus. Этот способ тоже оказался с самого начала эффективным и успешным.

Смешение

В итоге, в отдельном проекте Мейнену удалось получить штамм бактерий Pseudomonas putida S12, которые ранее были модифицированы для производства пара-гидроксибензоата (pHB). Это составляющий элемент класса химических веществ, известных как парабены, которые широко используются как консерванты в косметике и фармацевтической промышленности. Мейнен испытал способность этих бактерий производить pHB, биохимическое вещество, из ксилозы и других источников, таких как глюкоза и глицерин. Так он подвел итог полученным результатам: этот способ также оказался успешным, предоставив возможность производить биохимические вещества, такие как pHB, из глюкозы, глицерина и ксилозы. Фактически, использование смесей глюкозы и ксилозы или глицерина и ксилозы дает возможность производить больше pHB, чем в случае с несмешанными начальными материалами. Это означает, что, используя подготовленные биологические отходы в качестве начального материала, можно производить еще больше pHB.