Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

प्लास्टिक जो पर्यावरण में स्वाभाविक रूप से टूट जाते हैं, वे उन स्थायी सामग्रियों को बदलने के लिए वैज्ञानिकों का एक पुराना लक्ष्य रहे हैं जो लैंडफिल और महासागरों को अवरुद्ध करती हैं। सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक पॉलीहाइड्रॉक्सीअल्कानोएट्स (PHAs) नामक बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक का परिवार है। ये प्रयोगशाला में निर्मित सिंथेटिक रसायन नहीं हैं, बल्कि प्राकृतिक भंडारण सामग्री हैं जिन्हें कुछ बैक्टीरिया तब उत्पन्न करते हैं जब उनके पास उनकी आवश्यकता से अधिक भोजन होता है। इन बैक्टीरिया को ऊर्जा के रूप में अपने भीतर प्लास्टिक के कणों के रूप में ऊर्जा संचय करने वाले छोटे कारखानों के रूप में सोचें। परिणामी प्लास्टिक के गुण काफी हद तक उन बिल्डिंग ब्लॉक्स या मोनोमर्स पर निर्भर करते हैं जो इस श्रृंखला को बनाते हैं। छोटे बिल्डिंग ब्लॉक्स एक कठोर, भंगुर सामग्री बनाते हैं जो आसानी से टूट जाती है, जबकि लंबे ब्लॉक लचीलापन और खिंचाव लाते हैं, जिससे प्लास्टिक रबर की तरह अधिक लचीला हो जाता है। दशकों से, शोधकर्ता इन लंबे, अधिक लचीले ब्लॉकों को उत्पन्न करने के लिए सबसे कुशल बैक्टीरिया प्राप्त करने के लिए संघर्ष कर रहे थे, जिससे इन पर्यावरण के अनुकूल सामग्रियों के अनुप्रयोगों की सीमा सीमित हो गई थी।

थाईलैंड में नेशनल साइंस एंड टेक्नोलॉजी डेवलपमेंट एजेंसी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने 'क्युप्रियाविडस नेकेटर' (Cupriavidus necator) नामक एक प्रसिद्ध बैक्टीरिया के साथ काम किया, जो विभिन्न प्रकार के कचरे को प्लास्टिक में बदलने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है। हालांकि, यह मूल बैक्टीरिया स्वाभाविक रूप से केवल छोटे, भंगुर बिल्डिंग ब्लॉक्स का उत्पादन करता है। इसे बदलने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक अलग प्रकार के बैक्टीरिया, 'स्यूडोमोनास पुटिडा' (Pseudomonas putida) से एक विशिष्ट जीन जोड़कर बैक्टीरिया को इंजीनियर किया, जो लंबे, लचीले ब्लॉकों को जोड़ने की क्षमता के लिए जाना जाता है। इस आनुवंशिक संशोधन ने एक नया स्ट्रेन बनाया, जिसे शोधकर्ताओं ने mcl-C19 नाम दिया। जब इस नए स्ट्रेन को गुड़ (मोलासेस) और इस्तेमाल किए गए कुकिंग ऑयल के मिश्रण को खिलाया गया, तो इसने एक हाइब्रिड प्लास्टिक बनाना शुरू कर दिया जिसमें छोटे, कठोर ब्लॉक और लंबे, लचीले ब्लॉक दोनों शामिल थे। इस संयोजन के परिणामस्वरूप एक ऐसी सामग्री मिली जिसमें गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला थी, जो इसे मूल बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित भंगुर संस्करणों की तुलना में कई अधिक अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बना सकती है।

शोधकर्ताओं ने केवल नए स्ट्रेन बनाने पर ही नहीं रोका; उन्होंने उत्पादन को अधिकतम करने के लिए एक विशिष्ट फीडिंग रणनीति भी विकसित की। बैक्टीरिया को अपनी कोशिकाओं को बढ़ाने के लिए एक संतुलित आहार की आवश्यकता होती है, लेकिन वे तभी प्लास्टिक का संचय करना शुरू करते हैं जब उन्हें कुछ पोषक तत्वों से वंचित रखा जाता है जबकि उनके पास कार्बन की प्रचुर मात्रा होती है। इसका लाभ उठाने के लिए, टीम ने दो-चरणीय प्रक्रिया का उपयोग किया। पहले चरण में, उन्होंने बैक्टीरिया को एक पोषक तत्वों से भरपूर मिश्रण खिलाया ताकि वे तेजी से संख्या बढ़ा सकें और एक बड़ी आबादी बना सकें। एक बार जनसंख्या उच्च हो जाने के बाद, उन्होंने दूसरे चरण में बदलाव किया, जहाँ उन्होंने अतिरिक्त नाइट्रोजन डाले बिना कार्बन-समृद्ध भोजन—विशेष रूप से गुड़ और इस्तेमाल किए गए पाम ऑयल के पल्स (टुकड़ों में)—को जोड़ा। इसने एक असंतुलित वातावरण बनाया जिसने बैक्टीरिया को नई कोशिकाएं बनाने के बजाय प्लास्टिक बनाने में अपनी ऊर्जा लगाने के लिए मजबूर किया। एक बड़े टैंक में इस प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, इंजीनियर बैक्टीरिया ने भारी मात्रा में प्लास्टिक जमा किया, जो 13 ग्राम प्रति लीटर की सांद्रता तक पहुँच गया, जो कोशिकाओं के कुल वजन का लगभग आधा हिस्सा था।

इस उपलब्धि को जो बात विशेष रूप से उल्लेखनीय बनाती है, वह है उत्पादित प्लास्टिक की विविधता। इंजीनियर बैक्टीरिया ने केवल एक प्रकार का लंबा ब्लॉक ही नहीं बनाया; उन्होंने चार कार्बन परमाणुओं की छोटी श्रृंखलाओं से लेकर दस कार्बन परमाणुओं की लंबी श्रृंखलाओं तक, छह अलग-अलग प्रकार के बिल्डिंग ब्लॉक्स का एक जटिल मिश्रण बनाया। इन विभिन्न ब्लॉकों का विशिष्ट मिश्रण इस बात पर निर्भर करता था कि बैक्टीरिया को कैसे खिलाया गया था। जब शोधकर्ताओं ने एक सरल बैच प्रक्रिया का उपयोग किया जहाँ सब कुछ एक साथ डाल दिया गया था, तो प्लास्टिक की संरचना एक प्रकार की थी। जब उन्होंने दो-चरणीय पल्स-फीडिंग विधि का उपयोग किया, तो विभिन्न ब्लॉकों के अनुपात बदल गए। यह सुझाव देता है कि वैज्ञानिक फीडिंग शेड्यूल और उपयोग किए गए कचरे के भोजन के प्रकार को समायोजित करके प्लास्टिक के भौतिक गुणों को—इसे सख्त या अधिक लचीला बनाकर—बारीकी से ट्यून कर सकते हैं। अध्ययन ने पुष्टि की कि गुड़ और इस्तेमाल किए गए पाम ऑयल के मिश्रण का उपयोग करना वांछित लंबी-श्रृंखला वाले ब्लॉकों को उत्पन्न करने का सबसे प्रभावी तरीका था, जिसमें नए स्ट्रेन ने मूल अपरिवर्तित स्ट्रेन की तुलना में इन लचीले घटकों का चार गुना अधिक उत्पादन किया।

इस कार्य ने यह भी प्रदर्शित किया कि इस प्रक्रिया को छोटे फ्लास्क से बड़े औद्योगिक बायोरिएक्टर तक बिना दक्षता खोए बढ़ाया जा सकता है। दो-लीटर के टैंक में परिणाम छोटे कंटेनरों के लगभग समान थे, जो इंगित करता है कि यह विधि बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए पर्याप्त मजबूत है। हालांकि प्लास्टिक की मात्रा अधिक थी, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि कोशिका के वजन का प्रतिशत प्लास्टिक से अभी भी सुधारा जा सकता है। उन्होंने स्वीकार किया कि बैक्टीरिया को अपने अन्य कोशिकीय घटकों के बजाय और अधिक संसाधनों को प्लास्टिक में बदलने के लिए प्रेरित करने हेतु आगे के आनुवंशिक संशोधनों की आवश्यकता हो सकती है। हालांकि, वर्तमान परिणाम दिखाते हैं कि एक सरल आनुवंशिक परिवर्तन के साथ एक स्मार्ट फीडिंग रणनीति को जोड़कर, सामान्य कचरे को एक बहुमुखी, बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक में बदलना संभव है जिसके गुण विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार तैयार किए जा सकते हैं। यह दृष्टिकोण एक जैव-आधारित अर्थव्यवस्था की ओर एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है जहाँ प्लास्टिक उत्पादन नवीकरणीय संसाधनों पर निर्भर करता है और ऐसी सामग्रियां उत्पन्न करता है जो सुरक्षित रूप से पर्यावरण में वापस जा सकती हैं।