Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

Zonlicht is de motor die het leven in de oceaan aandrijft, maar voor de minuscule, eencellige planten die bekend staan als microalgen, kan te veel van het goede een probleem worden. Deze microscopische organismen vertrouwen op een groen pigment genaamd chlorofyl om lichtenergie op te vangen en om te zetten in voedsel en groei. Wanneer deze cellen echter dicht op elkaar groeien in een grote tank, creëert hun hoge concentratie groen pigment een barrière. De cellen aan de buitenkant absorberen bijna al het licht, waardoor ze een diepe schaduw werpen die de cellen in het midden uithongert. Dit fenomeen, vaak het "schaduweffect" genoemd, beperkt hoeveel biomassa de gehele cultuur kan produceren, wat het moeilijk maakt om deze organismen efficiënt op grote schaal te kweken voor brandstof of andere producten.

Wetenschappers zoeken al lang naar manieren om deze beperking te omzeilen door stammen van microalgen te vinden of te creëren die niet zoveel chlorofyl nodig hebben om te overleven. Als een stam met minder groen pigment zou kunnen groeien, zou dit licht dieper in de cultuur laten doordringen, waardoor meer cellen tegelijkert zien te groeien en de totale oogst wordt vergroot. Een team onderzoekers aan de Technische Universiteit van Kreta in Griekenland heeft onlangs deze uitdaging aangepakt door te werken met een specifiek type staafvormige microalgen genaamd Stichococcus. Ze streefden ernaar om een versie van dit organisme te creëren die van nature minder chlorofyl produceert, maar sneller groeit en meer waardevolle chemicaliën produceert, zoals oliën en suikers, dan hun wilde tegenhangers.

Om dit te bereiken, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd chemische mutagenese. Ze stelden een cultuur van de wilde Stichococcus bloot aan een chemische stof die ethylmethaansulfoonaat wordt genoemd, die fungeert als een soort willekeurige verzamelaar voor de genetische code van het organisme. Dit proces introduceert kleine, onvoorspelbare veranderingen in het DNA van de cellen. Het doel was niet om een specifieke verandering te ontwerpen, maar om een grote variëteit aan willekeurige mutaties te genereren en vervolgens de overlevers te doorzoeken die toevallig minder chlorofyl hadden. Het team paste de concentratie van de chemische stof zorgvuldig aan om ervoor te zorgen dat slechts ongeveer vijf procent van de cellen de behandeling overleefde, een niveau van stress dat de opkomst van nieuwe eigenschappen stimuleert zonder de hele populatie weg te vagen.

Na de chemische behandeling plaatsten de onderzoekers de overlevende cellen op vaste agarplaten en wachtten ze tot deze groeiden tot zichtbare kolonies. Ze zochten naar kolonies die lichter van kleur leken dan het diepgroen van de oorspronkelijke wilde stam. Hieruit selecteerden ze twee specifieke stammen, die ze EMS1 en EMS2 noemden, omdat deze het bleekst van kleur waren. Om te bevestigen dat deze lichtere kleuren een permanente genetische verandering waren en niet alleen een tijdelijke reactie, kweekten het team deze stammen gedurende drie generaties in vloeibaar zeewater. Ze vergeleken vervolgens de prestaties van deze nieuwe mutanten met de oorspronkelijke wilde type onder identieke omstandigheden, waarbij ze maten hoeveel biomassa ze produceerden, hoeveel chlorofyl ze bevatten en hoeveel olie en koolhydraten ze opsloegen.

De resultaten toonden een duidelijk voordeel voor de gemuteerde stammen. De beste presteerder, stam EMS1, groeide aanzienlijk sneller en produceerde meer totale biomassa dan het wilde type. Aan het einde van het twee weken durende experiment bereikte de EMS1-cultuur een dichtheid van 2,47 gram per liter, terwijl het wilde type slechts 2,20 gram per liter bereikte. Belangrijker nog, de EMS1-stam bevatte aanzienlijk minder chlorofyl. Terwijl het wilde type ongeveer 11 milligram chlorofyl per gram droge biomassa bevatte, bevatte de EMS1-mutant slechts ongeveer 6,29 milligram. Deze vermindering van het pigment bevestigde dat de mutatie het vermogen van het organisme om licht te oogsten succesvol had veranderd, wat potentieel mogelijk maakt om efficiënter te groeien in dichte culturen waar de lichtpenetratie beperkt is.

Naast het feit dat ze sneller groeiden en minder groen pigment hadden, toonde de gemuteerde stam ook veelbelovendheid voor de productie van waardevolle industriële materialen. De onderzoekers ontdekten dat de EMS1-stam meer lipiden opslaat, wat vetten zijn die kunnen worden omgezet in biobrandstoffen, en meer koolhydraten, die voor andere chemische producten kunnen worden gebruikt. Het lipidengehalte in de EMS1-stam steeg naar 21 procent van zijn droge gewicht, vergeleken met 15 procent in het wilde type. Op dezelfde manier steeg het koolhydraatgehalte naar 44 procent van het droge gewicht, omhoog van 28 procent in de oorspronkelijke stam. De hoeveelheid eiwit in de cellen bleef ongeveer gelijk over alle groepen, wat aangeeft dat de mutatie specifiek de productie van energieopslagverbindingen heeft gestimuleerd zonder de basisstructuurcomponenten van de cel op te offeren.

De studie concludeert dat dit chemische mutagenisatieproces een levensvatbare methode is voor het verbeteren van microalgstammen voor grootschalige productie. De EMS1-stam, met zijn lagere chlorofylgehalte en hogere opbrengst van biomassa en waardevolle chemicaliën, vormt een belangrijke stap voorwaarts. De onderzoekers zijn van plan deze specifieke stam te gebruiken in toekomstige experimenten met biofilm fotobioreactoren, systemen waarbij de algen op vaste oppervlakken groeien in plaats van vrij te drijven. Door een stam te gebruiken die licht dieper in de cultuur laat reizen, hopen zij koolstofdioxide uit industriële rook op te vangen en dit efficiënter om te zetten in hoogwaardige producten, waardoor een afvalgas wordt omgezet in een hulpbron met lagere cultiveringskosten.