Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth

In de stille hoekjes van zoetwatermeren en rivieren zijn microscopische planten genaamd cyanobacteriën constant aan het werk. Deze eencellige organismen zijn de motoren van de waterwereld; ze vangen zonlicht op om energie te creëren en laten zuurstof vrij, net zoals de bomen op het land. Echter, sommige van deze minuscule planten kunnen gevaarlijk worden. Wanneer de omstandigheden gunstig zijn, kunnen ze zich razendsnel vermenigvuldigen en dikke, groene slijmlagen vormen die bekend staan als schadelijke algenbloei. Deze bloei kan ander leven in het water verstikken en gifstoffen vrijgeven die drinkwatervoorraden, huisdieren en mensen bedreigen. Om te begrijpen hoe deze bloei ontstaat, hoe ze toxines produceren en hoe ze te stoppen, moeten wetenschappers in staat zijn om deze organismen in het laboratorium te kweken. Ze hebben een gecontroleerde omgeving nodig waarin ze de cellen kunnen zien delen en hun gedrag kunnen bestudelen zonder de chaos van een natuurlijk meer.

Decennialang is het standaardrecept voor het voeden van deze zoetwatercyanobacteriën in een laboratorium een mengsel geweest genaamd BG11. Het is een bekende formule, die overal door onderzoekers wordt vertrouwd, bestaande uit water, zouten en essentiële voedingsstoffen zoals ijzer, stikstof en fosfor. Het idee is simpel: bied het voedsel dat de cellen nodig hebben, en ze zullen groeien. Maar voor een specifieke groep toxische cyanobacteriën heeft dit standaardrecept volledig gefaald. Wanneer wetenschappers probeerden om drie specifieke soorten — Planktothrix agardhii, Shackletoniella antarctica en Pseudanabaena catenata — in deze standaardmengeling te kweken, groeiden de cellen niet alleen langzaam; ze stopten zelfs volledig met groeien. Ze werden bleek, hun interne machinerie stortte in en de culturen stierven. Dit falen creëerde een grote blokkade. Zonder een manier om deze specifieke toxische stammen in het lab te kweken, konden onderzoekers niet bestuderen wat hen aanzet tot het vrijgeven van hun gifstoffen of hoe ze een bloei in het wild kunnen voorspellen.

Een team van onderzoekers aan de Peter de Grote Sint-Petersburg Polytechnische Universiteit besloot te onderzoeken waarom dit standaardvoedsel faalde en om een beter recept te maken. Ze ontdekten dat het probleem niet een gebrek aan voedsel was, maar de manier waarop dat voedsel werd geleverd. In de standaardmengeling reageerden bepaalde ingrediënten met elkaar waardoor er vaste klonten ontstonden die de bacteriën niet konden eten, terwijl andere ingrediënten een chemische omgeving creëerden die eigenlijk giftig was voor de cellen. Om dit op te lossen, ontwikkelden de wetenschappers een nieuw, aangepast recept dat ze Polytech-CyanoSPO noemden. Dit nieuwe mengsel vond geen nieuwe voedingsstoffen uit; in plaats daarvan werden vier specifieke ingrediënten vervangen door verschillende vormen van dezelfde voedingsstoffen die de bacteriën daadwerkelijk konden gebruiken.

De eerste verandering richtte zich op het ijzer, een vitaal mineraal dat de bacteriën nodig hebben om fotosynthese uit te voeren. In het oude recept was het ijzer gemengd met een verbinding die snel afbrak in het licht, waardoor het ijzer veranderde in een vaste, roestachtige modder die naar de bodem van de container zonk. De bacteriën konden er niet bij. Het nieuwe recept verving dit door een andere ijzerzout gekoppeld aan een speciaal molecuul dat fungeert als een beschermend kooitje, waardoor het ijzer in een vloeibare, opgeloste staat wordt gehouden zodat de cellen het gemakkelijk kunnen grijpen. De tweede verandering betrof de stikstofbron. Het oude recept gebruikte een vorm van stikstof die ook natrium meebracht, een zout dat de cellen kan stressen en hun interne balans kan verstoren. Het nieuwe recept verving dit door een vorm van stikstof gekoppeld aan kalium, een mineraal dat de bacteriën nodig hebben om te functioneren, waardoor het voedsel effectief werd omgezet in een bron van zowel energie als essentiële mineralen zonder de stress.

De derde aanpassing pakte de fosfor aan, een andere belangrijke voedingsstof. In de standaardmengeling zorgde de manier waarop de fosfor was opgelost ervoor dat het waarschijnlijk aan calcium en magnesium bleef plakken, waardoor onzichtbare vaste stoffen ontstonden die de bacteriën niet konden absorberen. Het nieuwe recept gebruikte een andere vorm van fosfor die het water licht zuur hield, waardoor deze vaste stoffen niet konden ontstaan en de fosfor beschikbaar bleef voor de cellen om te eten. Ten slotte veranderde het team de bron van een sporenelement genaamd kobalt, waarbij ze een chemische vorm die schadelijk kon zijn verwijderden en vervingen door een veiligere, stabielere versie. Deze vier veranderingen waren klein in aantal, maar enorm in hun effect.

Toen de onderzoekers hun nieuwe mengsel testten tegenover het oude, waren de resultaten spectaculair. In de standaard BG11-mengeling overleefden de drie toxische soorten nauwelijks. Hun aantallen namen niet toe, hun groene kleur vervaagde en ze produceerden bijna geen zuurstof, een teken dat hun energie-engines waren stilgevallen. In contrast hiermee explodeerden de culturen in het nieuwe Polytech-CyanoSPO-mengsel van het leven. Gedurende een periode van veertien dagen groeide het aantal cellen in het nieuwe mengsel tien tot dertig keer hoger dan in het oude mengsel. Het water in de nieuwe culturen was zo rijk aan zuurstof dat het meer zuurstof vasthield dan de lucht erboven normaal gesproken zou kunnen oplossen, een duidelijk teken dat de bacteriën op volle snelheid aan het fotosynthetiseren waren.

De wetenschappers maten ook wat er na het experiment in het water achterbleef. In de mislukte culturen was het water nog steeds vol met ongebruikte stikstof en fosfor, wat bewees dat de bacteriën te ziek waren om het te eten. In de succesvolle culturen was het water bijna leeg van deze voedingsstoffen, wat aantoonde dat de gezonde bacteriën bijna alles beschikbaar hadden geconsumeerd. Het nieuwe mengsel hield het water ook op een stabiel, neutraal pH-niveau, terwijl het oude mengsel te alkalisch werd, wat de cellen verder vergiftigde. Door deze chemische puzzels op te lossen, hebben de onderzoekers een betrouwbare manier geboden om deze moeilijke, toxische stammen te kweken. Deze doorbraak betekent dat wetenschappers deze organismen nu met vertrouwen in het laboratorium kunnen bestuderen, wat de deur opent naar het begrijpen van hoe ze hun toxines produceren en hoe ze drinkwatervoorraden kunnen beschermen tegen de gevaren van schadelijke algenbloei.