Οι γενετικές αλλαγές στους οργανισμούς, είτε συμβαίνουν φυσικά μέσω της εξελικτικής διαδικασίας, είτε προκαλούνται με τη βοήθεια της γενετικής μηχανικής, αποτελούν εδώ και καιρό αντικείμενο ερευνητικού ενδιαφέροντος της επιστημονικής κοινότητας.
Πρόσφατα, μια πρωτοποριακή μελέτη με επικεφαλής τον Stefan Pflügl από το Ινστιτούτο Χημικής, Περιβαλλοντικής και Μηχανικής Βιοεπιστημών στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης, κατέδειξε την επιτυχή χειραγώγηση ενός βακτηρίου με την ονομασία Thermoanaerobacter kivui (T. kivui), ώστε να μπορεί να διασπά το μονοξείδιο του άνθρακα.
Αυτό το επίτευγμα αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο στον τομέα της βιοτεχνολογίας, που ανοίγει νέες δυνατότητες για την αξιοποίηση του μικροβιακού μεταβολισμού. Η ικανότητα να τροποποιούνται βακτήρια ώστε να μεταβολίζουν συγκεκριμένες ενώσεις είναι πολλά υποσχόμενη για διάφορες εφαρμογές, από την περιβαλλοντική αποκατάσταση έως την παραγωγή βιοκαυσίμων.
«Η χρήση των εγγενών δυνατοτήτων των μικροοργανισμών για την αποικοδόμηση αποβλήτων ή τοξικών ουσιών και την παραγωγή χρήσιμων χημικών ή βιοκαυσίμων ονομάζεται Βιομηχανική Βιοτεχνολογία (Industrial Biotechnology). Πρόκειται για μια αρκετά ενδιαφέρουσα πρακτική, η οποία αποτελεί και τη βάση της ερευνητικής μας δραστηριότητας, καθώς μπορεί να προσφέρει καινοτόμες λύσεις σε περιβαλλοντικά προβλήματα και βιώσιμες πρακτικές στη βιομηχανική παραγωγή χημικών και άλλων ουσιών», αναφέρει στο Dnews η βιοτεχνολόγος με ειδίκευση στη μοριακή βιολογία Αγγελική Σιταρά.
Η Ελληνίδα επιστήμονας μετά τις σπουδές της στη Βιοχημεία και Βιοτεχνολογία στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας και το μεταπτυχιακό της στην εφαρμοσμένη βιοτεχνολογία στο πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, εντάχθηκε στην ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Stefan Pflügl στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης το 2022 και από τότε ασχολείται με τη γενετική τροποποίηση θερμόφιλων μικροοργανισμών, και συγκεκριμένα του Thermoanaerobacter kivui, με στόχο την παραγωγή χρήσιμων προϊόντων από αέρια απόβλητα, όπως το μονοξείδιο του άνθρακα.
Στοχευμένη γενετική τροποποίηση
Το έργο της ερευνητικής ομάδας του Καθηγητή Stefan Pflügl περιλαμβάνει ακριβείς γενετικές τροποποιήσεις στο T. kivui, που ενισχύουν τις μεταβολικές του ικανότητες, συμπεριλαμβανομένης της αποικοδόμησης του μονοξειδίου του άνθρακα. Εισάγοντας στοχευμένες αλλαγές στη γενετική σύνθεση του βακτηρίου, οι ερευνητές μπορούν να επαναπρογραμματίσουν τις μεταβολικές του οδούς, επιτρέποντάς του να χρησιμοποιεί το μονοξείδιο του άνθρακα ως πιθανή πηγή ενέργειας.
Το βακτήριο όταν χρησιμοποιηθεί σε βιοαντιδραστήρες, μπορεί να συμβάλει στη μετατροπή του αερίου σύνθεσης (syngas), το οποίο αποτελείται από μονοξείδιο του άνθρακα (CO), διοξείδιο του άνθρακα (CO2 ) και υδρογόνο (H2 ), σε πολύτιμα προϊόντα. Οι βιοαντιδραστήρες και το αέριο σύνθεσης είναι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται ευρέως στην επεξεργασία βιομάζας και στην παραγωγή ενέργειας. Πρόκειται για συστήματα όπου λαμβάνουν χώρα βιοχημικές αντιδράσεις με τη βοήθεια μικροοργανισμών, ενώ το αέριο σύνθεσης (syngas) είναι ένα καύσιμο που παράγεται από την αεριοποίηση βιομάζας ή άλλων οργανικών υλικών. Το αέριο σύνθεσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, την παραγωγή υδρογόνου ή ως πρώτη ύλη για την παραγωγή χημικών προϊόντων.
Σε άρθρο που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nature Communications, ο Pflügl και η ομάδα του αναφέρουν πώς το T. kivui μπορεί να χρησιμοποιήσει το CO ως μοναδική πηγή ενέργειας. Σε μια άλλη μελέτη στο περιοδικό Biotechnology for Biofuels and Bioproducts, η ομάδα περιγράφει επίσης τη μέθοδο γενετικής τροποποίησης του T. kivui εντός 12 ημερών, ώστε να εμφανίζει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά.
Το T. kivui αναπτύσσεται σε υψηλές θερμοκρασίες και μπορεί να παράγει οργανικές ουσίες από απλά μόρια όπως διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο. Αυτές οι ιδιότητες επιτρέπουν τη χρήση του&βακτηρίου& σε συνδυασμό με μονάδες αεριοποίησης βιομάζας, για παράδειγμα, προκειμένου να αξιοποιηθεί το αέριο σύνθεσης που παράγεται εκεί από βιομάζα αποβλήτων, όπως γεωργικά υπολείμματα ή απόβλητα ξύλου.
Το T. kivui μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, για τη βιώσιμη παραγωγή&οξικού οξέοςμέσω ζύμωσης αερίου και, μετά από κατάλληλη γενετική τροποποίηση, για την παραγωγή αιθανόλης ή ισοπροπανόλης, δηλαδή πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται ως βιοκαύσιμα ή χημικές πρώτες ύλες. Αυτή η τεχνολογία μπορεί επομένως να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας κυκλικής οικονομίας άνθρακα βασισμένης σε ανανεώσιμους πόρους.
«Πιστεύουμε ακράδαντα ότι τέτοιου είδους τεχνολογίες αποτελούν το μέλλον της κυκλικής οικονομίας. Το T. kivui είναι ένα θερμόφιλο, αναερόβιο βακτήριο το οποίο απομονώθηκε από τη λίμνη Kivu στην Αφρική. Μπορεί να αξιοποιήσει απευθείας αέρια απόβλητα (όπως μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα από αεριοποίηση βιομάζας), χωρίς την ανάγκη προκατεργασίας ή καθαρισμού, μειώνοντας έτσι σημαντικά το κόστος παραγωγής. Ταυτόχρονα, οι υψηλές θερμοκρασίες ανάπτυξής του μειώνουν τις μολύνσεις και αυξάνουν την αποδοτικότητα, καθιστώντας το ιδανικό για βιομηχανικές εφαρμογές», προσθέτει η Αγγελική Σιταρά.
Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι φυσικά τοξικό για πολλούς μικροοργανισμούς, συμπεριλαμβανομένου του T. kivui και αναστέλλει την ανάπτυξη. «Ωστόσο, καταφέραμε να προσαρμόσουμε με αργό ρυθμό το βακτήριο στο μονοξείδιο του άνθρακα», λέει ο Stefan Pflügl. «Αργότερα, το βακτήριο μπόρεσε ακόμη και να χρησιμοποιήσει το μονοξείδιο του άνθρακα ως μοναδική πηγή ενέργειας και άνθρακα». Το σημαντικό είναι εδώ ότι το T. kivui απέκτησε αυτή την ικανότητα φυσικά μέσα σε λίγες μόνο γενιές.
«Πολλές από τις απαντήσεις στα σημερινά περιβαλλοντικά προβλήματα βρίσκονται ήδη στη φύση, σε μικροοργανισμούς που εξελίχθηκαν για να επιβιώνουν και να αξιοποιούν “άχρηστα” υλικά. Αν καταφέρουμε να αναδείξουμε και να ενισχύσουμε τις εγγενείς τους δυνατότητες με εργαλεία της βιοτεχνολογίας, μπορούμε να στραφούμε σε παραγωγικά, βιώσιμα μοντέλα που συνεργάζονται με τη φύση αντί να την επιβαρύνουν», σχολιάζει η κα. Σιταρά.
Μια ματιά στο γονιδίωμα
Μια ματιά στο γονιδίωμα του βακτηρίου αποκάλυψε στους ερευνητές ότι υπεύθυνο για την ικανότητά του να μεταβολίζει το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα τρανσποζόνιο, δηλαδή ένα συγκεκριμένο κινητό τμήμα DNA. Τα τρανσποζόνια ή μεταθετά στοιχεία, επίσης γνωστά και ως «jumping genes», είναι αλληλουχίες DNA που μετακινούνται στο γονιδίωμα από μια θέση σε άλλη. Βρίσκονται σχεδόν σε όλους τους οργανισμούς (προκαρυωτικούς και ευκαρυωτικούς) και συνήθως σε μεγάλες ποσότητες (π.χ. αποτελούν περίπου το 50% του ανθρώπινου γονιδιώματος και έως και το 90% του γονιδιώματος του καλαμποκιού).
Το εύρημα αυτό όχι μόνο παρέχει μια βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι μικροοργανισμοί προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους, αλλά υποδεικνύει επίσης πώς οι φυσικοί εξελικτικοί μηχανισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για βιοτεχνολογικούς σκοπούς.
Πολλά βακτήρια διαθέτουν έναν φυσικό αμυντικό μηχανισμό που αναγνωρίζει το ιικό DNA και το καθιστά ακίνδυνο. «Αυτός ο μηχανισμός, γνωστός και ως γενετικό ψαλίδι CRISPR/Cas, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ειδική τροποποίηση του DNA. Με τη μέθοδό μας, την οποία ονομάσαμε Hi-TARGET, μπορούν να αφαιρεθούν, να τροποποιηθούν ή να προστεθούν νέα γονίδια», εξηγεί ο Pflügl.
Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να αναπτύξει ένα βακτηριακό στέλεχος που έχει πολύ παρόμοια χαρακτηριστικά με αυτό που εξελίχθηκε φυσικά. Η νέα μέθοδος όχι μόνο είναι σημαντικά ταχύτερη από τις καθιερωμένες μεθόδους γενετικής μηχανικής, αλλά έχει και ποσοστό επιτυχίας 100%.
Ο στοχευμένος γενετικός χειρισμός με τη χρήση του Hi-TARGET ανοίγει ένα είδος πεδίο έρευνας για τους επιστήμονες που σπεύδουν τώρα να διερευνήσουν πώς αλλάζουν οι ιδιότητες του T. kivui όταν τα γονίδια που περιέχονται στο τρανσποζόνιο υπερεκφράζονται και αν μπορεί το T. kivui να τροποποιηθεί με τέτοιο τρόπο ώστε ο οργανισμός να παράγει πιο απαιτητικά προϊόντα από υποστρώματα όπως H2 και CO2, τα οποία παρέχουν μικρή ποσότητα ενέργειας.
«Έχοντας πλέον αναπτύξει ένα πλήρως λειτουργικό σύστημα γονιδιακής τροποποίησης για το T. kivui, μπορούμε να κατευθύνουμε τον μεταβολισμό του ώστε να παράγει συγκεκριμένα προϊόντα, όπως λακτικό οξύ (βιοπλαστικά) ή αιθανόλη (βιοκαύσιμα). Τα επόμενα βήματα περιλαμβάνουν τη βελτιστοποίηση αυτών των μεταβολικών οδών, τη συνεργασία με την αύξηση της παραγωγικότητας στους βιοαντιδραστήρες ώστε να επιτευχθεί η πιλοτική παραγωγή χρήσιμων χημικών σε μεγαλύτερη κλίμακα με ελάχιστες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα», λέει η κα. Σιταρά.
«Η γνώση που έχουμε αποκτήσει από το T. kivui μπορεί επίσης να μεταφερθεί σε άλλους μικροοργανισμούς που μεταβολίζουν αέρια υποστρώματα», συμπληρώνει ο Pflügl.
Αυτή η προσέγγιση γενετικής μηχανικής όχι μόνο αναδεικνύει τη δύναμη της συνθετικής βιολογίας στον επανασχεδιασμό των μικροβιακών λειτουργιών, αλλά υπογραμμίζει επίσης τις δυνατότητες ανάπτυξης προσαρμοσμένων μικροβιακών συστημάτων για συγκεκριμένους βιομηχανικούς ή περιβαλλοντικούς σκοπούς.
