Модифицированные водоросли для производства наноцеллюлозы

Источник: agsci.psu.edu

Гены семейства бактерий, которые производят уксус, «чайный гриб» помогут водорослям в производстве важного материала — наноцеллюлозы. Группа исследователей Университета Техаса (США) под руководством Р. Малькольма Брауна, вплотную подошла к завершающей стадии этого проекта. В конечном итоге ученые планируют получить «заводы», выпускающие наноцеллюлозу в больших количествах и с минимальными затратами. При этом водоросли будут активно поглощать углекислый газ. Целлюлоза является наиболее распространенным органическим полимером на Земле. Как и любой другой полимер, материал состоит из молекул, связанных друг с другом в длинные цепочки. Целлюлоза встречается в основном в растениях — в стволах деревьев, ветках, стеблях травы, хлопковых волокнах и т. д.

Лишь немногие живые организмы способны синтезировать и выделять целлюлозу в ее натуральной наноструктурной форме — в виде мельчайших фибрилл. На этом уровне полимер является чрезвычайно гидрофильным и похожим на желе. Как и в случае с другими наноматериалами, свойства наноцеллюлозы значительно отличаются от свойств целлюлозы обычной. Продукты на основе наноцеллюлозы могут быть прочнее стали и жестче, чем кевлар. Большая прочность, легкий вес и другие преимущества позволяют использовать наноцеллюлозу в разнообразных направлениях — от производства легкой брони до «строительных лесов» при выращивании органов для трансплантации. Еще в 1800 году ученый Луи Пастер обнаружил, что производящие уксус бактерии способны создавать своеобразную «мокрую кожу» — желеобразную и скользкую.

Теперь известно, что эта «кожа» является наноцеллюлозой. Материал, выпущенный бактериями, отличается высокой чистотой, и его проще обрабатывать. С 70-х годов прошлого века профессор Браун с коллегами исследовал бактерии Acetobacter xylinum, которые вырабатывают наноцеллюлозу непосредственно в культуральной среде. Ученым удалось выявить гены, участвующие в процессах производства, полимеризации и кристаллизации наноцеллюлозы. Но одновременно были обнаружены недостатки в использовании А. xylinum или других похожих бактерий. Они требуют «бульона» высокой чистоты, с большим количеством питательных веществ. Только в этом случае микробы могут расти в крупных промышленных бродильных чанах.

Поэтому исследователи решили включить гены А. xylinum в другой тип микроорганизмов — цианобактерии (относятся к сине-зеленым водорослям). Эти бактерии производят собственные питательные вещества из солнечного света, воды и углекислого газа. И они также способны производить наноцеллюлозу, но в меньших объемах, чем ацетобактерии. Профессору Брауну и его коллегам уже удалось создать генетически модифицированные цианобактерии, производящие наноцеллюлозу в виде полимера (длинные цепочки). Последнее препятствие, которое необходимо преодолеть ученым — это добиться синтеза более устойчивой формы наноцеллюлозы, с кристаллической структурой. После решения этой задачи все процессы могут быть масштабированы с научно-исследовательского уровня до промышленных установок.