Engineering phosphate-controlled poly(3-hydroxybutyrate) production in Vibrio natriegens from renewable feedstocks

Plasticvervuiling is een bepalende uitdaging van ons moderne tijdperk, waarbij miljarden tonnen synthetische materialen zich ophopen in onze oceanen en stortplaatsen. Hoewel deze materialen duurzaam en nuttig zijn, creëert hun hardnekkigheid een enorme milieubelasting. Wetenschappers zoeken al lang naar een oplossing in biologisch afbreekbare plastics, specifelijk een type genaamd poly(3-hydroxybutyraat), of PHB. Deze stof is een natuurlijk polyester dat bacteriën produceren om energie op te slaan, vergelijkbaar met hoe mensen vet opslaan. In tegen tegenstelling tot op aardolie gebaseerde plastics, breekt PHB volledig af in de bodem en in zeewater. Het maken ervan op grote schaal is echter moeilijk en duur gebleken. Het proces vereist meestal het voeren van dure suikers aan bacteriën en het toevoegen van chemische triggers om hen te dwingen over te schakelen van groeien naar het maken van plastic. Deze stappen drijven de kosten op en compliceren het productieproces, waardoor PHB de conventionele plastics niet kan vervangen.

Onderzoekers van de Western Australia University en de Universiteit van Wenen hebben nu een manier gevonden om deze hindernissen te omzeilen door gebruik te maken van een snelgroeiende mariene bacterie genaamd Vibrio natriegens. Dit micro-organisme is uniek omdat het ongelooflijk snel kan groeien en gedijt in zout water, wat fermentatie met zeewater mogelijk maakt in plaats van kostbaar zoet water. Het team ontdekte dat deze bacterie van nature overschakelt naar het maken van PHB wanneer het tekort komt aan fosfaat, een veelvoorkomend nutriënt in de bodem en het water. Door een proces te ontwerpen waarbij de bacteriën alle beschikbare fosfaat consumeren, creëerden de onderzoekers een zelfstartend systeem. De bacteriën groeien snel zolang er fosfaat aanwezig is, en op het moment dat dit opraakt, beginnen ze automatisch PHB te produceren zonder dat er chemische schakelaars of menselijke interventie nodig zijn. Deze aanpak verandert de eigen honger van de bacteriën in een precies controlemechanisme voor productie.

De reis naar deze ontdekking begon met de behoefte om precies te begrijpen wat de bacteriën aanzet tot het maken van PHB. Hoewel andere bacteriën bekend staan om het produceren van dit plastic wanneer ze een tekort hebben aan stikstof of zuurstof, waren de regels voor V. natriegens onduidelijk. Om dit op te lossen, bouwden de wetenschappers een kleine lichtgevende sensor in de bacteriën. Ze koppelden een gloeiend gen aan het specifieke deel van het DNA dat de PHB-productie reguleert. Wanneer de bacteriën een tekort aan een bepaald nutriënt detecteerden, ging het gen aan en begonnen de bacteriën te gloeien. De onderzoekers testten de bacteriën in omgevingen met variërende niveaus van fosfaat en stikstof. De resultaten waren duidelijk: de bacteriën gloeiden alleen wanneer fosfaat schaars was. Stikstofniveaus deden er niet toe. Dit was een belangrijke bevinding omdat het een voorheen onbekend reguleringspatroon voor deze soort onthulde, waarbij het laat zien dat fosfaattekort het specifieke signaal is dat de bacteriën vertelt te stoppen met groeien en te beginnen met het opslaan van energie als plastic.

Met deze trigger geïdentificeerd, verplaatste het team de focus naar het verbeteren van het vermogen van de bacteriën om het plastic te produceren. Ze ontwierpen de stam zodanig dat deze extra kopieën draagt van de natuurlijke genen die verantwoordelijk zijn voor het maken van PHB. Dit deden ze door deze extra genensets in specifieke plaatsen in het DNA van de bacterie te plaatsen, waarbij ze andere genen vervingen die niet essentieel waren voor het proces. Deze strategie diende twee doelen: het verhoogde het aantal instructies voor het maken van plastic, en het verwijderde onderdelen van de machinerie van de bacterie die energie verspillen aan onnodige taken zoals het bouwen van flagellen of beschermende coatings. Het resultaat was een stam die drie keer meer PHB produceerde dan de oorspronkelijke, ongewijzigde bacteriën wanneer ze werden gevoed met acetaat, een eenvoudige twee-koolstofverbinding die gemaakt kan worden uit industriële restgassen of koolstofdioxide. Deze beweging weg van voedingssuikers zoals glucose naar afvalafgeleide acetaten is cruciaal om het proces duurzaam en kosteneffectief te maken.

Om te garanderen dat dit proces efficiënt kon worden opgeschaald, ontwikkelden de onderzoekers een wiskundig model om precies te voorspellen hoeveel fosfaat er in het startmengsel aanwezig zou moeten zijn. Ze wisten dat als er te veel fosfaat was, de bacteriën zouden blijven groeien en nooit met de productie van plastic zouden beginnen. Als er te weinig was, zouden de bacteriën verhongeren voordat ze genoeg massa konden opbouwen om een goede hoeveelheid plastic te produceren. Het model berekende de perfecte balans en voorspelde een initiële fosfaatconcentratie die de totale hoeveelheid geproduceerd plastic zou maximaliseren. Wanneer het team deze voorspelling in het laboratorium testte, kwamen de resultaten nauw overeen met het model. Ze bereikten een uiteindelijke concentratie van 0,123 gram PHB per liter cultuur, waarbij het plastic 60,5% van het totale gewicht van de bacteriële cellen uitmaakte. In sommige omstandigheden bereikten de bacteriën zelfs een hoger gehalte van 69,1% PHB bij gewicht.

De veelzijdigheid van dit systeem werd verder getest door de bacteriën verschillende soorten voedsel te voeren. De onderzoekers probeerden glycerol, succinaat en diverse suikers zoals glucose en fructose, naast acetaat. De fosfaattekort-trigger werkte voor al deze bronnen. Hoewel de bacteriën de meeste plastic produceerden wanneer ze werden gevoed met fructose, is het feit dat de schakelaar werkte over een zo divers scala aan voedingsbronnen een groot voordeel. Dit betekent dat fabrikanten de goedkoopste of meest duurzame koolstofbron in hun regio kunnen kiezen zonder het hele productieproces opnieuw te hoeven ontwerpen. De bacteriën consumeren simpelweg het beschikbare voedsel, wachten tot de fosfaat opraakt, en zetten vervolgens de overtollige energie om in plastic.

Een van de meest opvallende waarnemingen was hoe de bacteriën fysiek veranderden tijdens dit proces. Terwijl ze door een tekort aan fosfaat ook de PHB begonnen op te slaan, zwollen de cellen aanzienlijk op en werden ze bijna zes keer groter in volume dan ze aan het begin waren. Deze zwelling trad zelfs op bij bacteriën die geen PHB konden maken, wat suggereert dat het gebrek aan fosfaat een algemene verandering in celgrootte veroorzaakt die losstaat van het plastic-makende proces zelf. Omdat de cellen groter zijn, hebben ze meer interne ruimte om de plastic korrels vast te houden, wat helpt verklaren waarom het uiteindelijke gehalte zo hoog is. Deze natuurlijke vergroting, gecombineerd met de zelfactiverende schakelaar, betekent dat het systeem zeer efficiënt is zonder dat er complexe engineering nodig is om de celdeling te stoppen.

De studie onderzocht ook of de bacteriën het plastic dat ze maakten konden afbreken als het voedsel weer schaars werd, een proces dat onwenselijk zou zijn in een productieomgeving. De onderzoekers zochten in het bacteriële genoom naar genen die als een "schoonmaakploeg" zouden kunnen fungeren om het plastic te verteren. Ze vonden kandidaten en verwijderden deze, maar de bacteriën braken het plastic nog steeds af wanneer ze werden beroofd van koolstof. Dit suggereert dat V. natriegens een mechanisme gebruikt om PHB af te breken dat nog niet volledig begrepen of geïdentificeerd is door huidige wetenschappelijke databases. Hoewel dit betekent dat de bacteriën mogelijk wat van hun product verliezen als het proces niet zorgvuldig wordt beheerd, benadrukt het ook dat er nog veel te leren valt over de biologie van dit organisme.

Uiteindelijk demonstreert dit onderzoek een nieuwe manier om biologisch afbreekbare plastics te produceren met behulp van een snelgroeiende, zouttolerante bacterie. Door te vertrouwen op de natuurlijke uitputting van fosfaat om de productie te triggeren, elimineert het proces de noodzaak voor dure chemische inductoren en complexe voedingsschema's. Het team toonde aan dat door simpelweg de initiële hoeveelheid fosfaat in het water aan te passen, zij konden controleren wanneer de bacteriën overschakelen van groeien naar het maken van plastic. Dit autonome systeem, gecombineerd met het vermogen om afvalafgeleide grondstoffen zoals acetaat te gebruiken, biedt een veelbelovend pad om bioplastics te maken die zowel milieuvriendelijk als economisch levensvatbaar zijn. Het werk biedt een duidelijk blauwdruk voor hoe men de natuurlijke instincten van micro-organismen kan benutten om een mondiaal milieuprobleem op te lossen, door een eenvoudige nutriëntenbeperking om te vormen tot een krachtig instrument voor duurzame productie.