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

Kunststoffen die van nature afbreken in het milieu zijn al lang een doel voor wetenschappers die op zoek zijn naar vervangers voor de hardnekkige materialen die stortplaatsen en oceanen verstoppen. Onder de meest veelbelovende kandidaten behoren een familie van biologisch afbreekbare kunststoffen genaamd polyhydroxyalkanoaten, of PHA's. Dit zijn geen synthetische chemicaliën die in een laboratorium worden vervaardigd, maar natuurlijke opslagmaterialen die bepaalde bacteriën produceren wanneer ze meer voedsel hebben dan ze nodig hebben. Denk aan deze bacteriën als kleine fabrieken die energie opslaan in de vorm van plastic korrels binnen hun cellen. De eigenschappen van de resulterende kunststof hangen sterk af van de bouwstenen, of monomeren, waaruit de keten is opgebend. Kortere bouwstenen creëren een stijf, bros materiaal dat gemakkelijk breekt, terwijl langere blokken flexibiliteit en rekbaarheid introduceren, waardoor de kunststof meer op rubber lijkt. Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd om de meest efficiënte bacteriën te laten produceren met deze langere, flexibelere blokken, wat het bereik van toepassingen voor deze milieuvriendelijke materialen beperkte.

Een team van onderzoekers bij de National Science and Technology Development Agency in Thailand heeft een belangrijke stap voorwaarts gezet in het oplossen van dit probleem. Ze werkten met een bekende bacterie genaamd Cupriavidus necator, die beroemd is om haar vermogen om diverse afvalproducten in plastic te veranderen. Deze inheemse bacterie produceert echter van nature alleen de korte, brosse bouwstenen. Om dit te veranderen, hebben de wetenschappers de bacterie genetisch gemodificeerd door een specifiek gen toe te voegen van een ander type bacterie, Pseudomonas putida, die bekend staat om haar vermogen om de langere, flexibele blokken te assembleren. Deze genetische modificatie creëerde een nieuwe stam, die de onderzoekers mcl-C19 noemden. Wanneer deze nieuwe stam werd gevoed met een mengsel van melasse en gebruikt frituurvet, begon zij een hybride kunststof te produceren die zowel de korte, stijve blokken als de langere, flexibele blokken bevat. Deze combinatie resulteerde in een materiaal met een breder scala aan eigenschappen, wat het potentieel geschikt maakt voor veel meer toepassingen dan de brosse versies die door de oorspronkelijke bacteriën worden geproduceerd.

De onderzoekers stopten niet bij het simpelweg creëren van de nieuwe stam; ze ontwikkelden ook een specifieke voedingsstrategie om de productie te maximaliseren. Bacteriën hebben een gebalanceerd dieet nodig om hun cellen te laten groeien, maar ze beginnen pas met het opslaan van plastic wanneer ze worden beroofd van bepaalde voedingsstoffen terwijl ze nog steeds over voldoende koolstof beschikken. Om hiervan gebruik te maken, gebruikte het team een tweefasig proces. In de eerste fase voedden ze de bacteriën met een nutriëntenrijk mengsel om hen snel te laten vermenigvuldigen en een grote populatie op te bouwen. Zodra de populatie hoog was, schakelden ze over naar de tweede fase, waarbij ze pulsen van koolstofrijke voeding toevoegden — specifiek melasse en gebruikt palmolie — zonder extra stikstof toe te voegen. Dit creëerde een ongebalanceerde omgeving die de bacteriën dwong hun energie te verleggen naar het maken van plastic in plaats van het groeien van nieuwe cellen. Door dit proces zorgvuldig te controleren in een grote tank, accumuleerden de genetisch gemodificeerde bacteriën een enorme hoeveelheid plastic, waarbij een concentratie van 13 gram per liter werd bereikt, wat bijna de helft van het totale gewicht van de cellen vertegenwoordigde.

Wat deze prestatie bijzonder opmerkelijk maakt, is de diversiteit van het geproduceerde plastic. De genetisch gemodificeerde bacteriën maakten niet alleen één type lange blok; ze creëerden een complex mengsel dat zes verschillende soorten bouwstenen bevat, variërend van korte ketens van vier koolstofatomen tot langere ketens van tien. De specifieke mix van deze blokken veranderde afhankelijk van hoe de bacteriën werden gevoed. Wanneer de onderzoekers een eenvoudig batchproces gebruikten waarbij alles in één keer werd toegevoegd, had het plastic één samenstelling. Wanneer zij de tweefasige pulse-feeding methode gebruikten, verschoof de proportie van de verschillende blokken. Dit suggereert dat wetenschappers de fysieke eigenschappen van de kunststof kunnen verfijnen — het zachter of elastischer maken — simpelweg door het voedingsschema en het type afvalvoedsel aan te passen. De studie bevestigde dat het gebruik van een mengsel van melasse en gebruikt palmolie de meest effectieve manier was om de gewenste langketenige blokken te genereren, waarbij de nieuwe stam vier keer meer van deze flexibele componenten produceerde dan de ongewijzigde ouderstam.

Het werk demonstreerde ook dat dit proces kan worden opgeschaald van kleine kolven naar grote industriële bioreactoren zonder aan efficiëntie in te boeten. De resultaten in een twee-liter tank waren bijna identiek aan die in kleinere containers, wat aangeeft dat de methode robuust genoeg is voor grotere productie. Hoewel de hoeveelheid geproduceerd plastic hoog was, merkten de onderzoekers op dat het percentage celgewicht dat uit plastic bestaat, nog verbeterd kan worden. Zij erkenden dat verdere genetische aanpassingen nodig kunnen zijn om de bacteriën te stimuleren nog meer van hun middelen om te zetten in plastic in plaats van andere cellulaire componenten. De huidige resultaten tonen echter aan dat door een eenvoudige genetische verandering te combineren met een slimme voedingsstrategie, het mogelijk is om veelzijdige, biologisch afbreekbare kunststoffen te maken met eigenschappen die kunnen worden afgestemd op specifieke behoeften uit gemeenschappelijke afvalmaterialen. Deze aanpak biedt een praktisch pad naar een bio-gebaseerde economie waarbij de productie van kunststoffen steunt op hernieuwbare bronnen en materialen genereert die veilig kunnen terugkeren naar het milieu.