Ограниченная доступность света
То, что звучит хорошо в теории, по-прежнему сталкивается с препятствиями в практической широкомасштабной технологической реализации. Решающим ограничивающим фактором в настоящее время является доступность света, как объясняет Роберт Курист из Института молекулярной биотехнологии Технологического университета Граца: «Когда цианобактерии густо растут, i.е. при высоких концентрациях достаточно света получают только клетки, расположенные снаружи.
Внутри довольно темно. Это означает, что количество катализатора нельзя увеличивать произвольно. После плотности клеток в несколько граммов на литр фотосинтетическая активность и, следовательно, продуктивность клеток резко снижается.
Это, конечно, серьезный недостаток для крупномасштабного биотехнологического производства."
Для сравнения, можно использовать ранее установленные биокатализаторы, такие как дрожжи, с плотностью клеток 50 грамм на литр и более. Основным недостатком устоявшихся производственных организмов является то, что они зависят от сельскохозяйственных продуктов как основы роста и, таким образом, потребляют много ресурсов. «Катализаторы на основе водорослей можно выращивать из воды и CO2, поэтому они« зеленые »в двойном смысле. По этой причине прилагаются интенсивные усилия по повышению каталитической активности цианобактерий », – сказал Курист.
Лучшее использование доступного света
Совместно с Рурским университетом Бохума и Финским университетом Турку рабочей группе по водорослям в Техническом университете Граца теперь удалось повысить именно эту каталитическую эффективность, специально перенаправив фотосинтетический поток электронов на желаемую каталитическую функцию. «Впервые мы смогли измерить запас фотосинтетической энергии непосредственно в клетках с временным разрешением, так что мы смогли определить узкие места в метаболизме», – объясняет Марк Новачик из кафедры биохимии растений в Рурский университет Бохума.
"Мы отключили систему в геноме цианобактерий, которая должна защищать клетку от флуктуирующего света. Эта система не нужна в контролируемых условиях выращивания, но потребляет фотосинтетическую энергию.
Энергия, которую мы предпочитаем вкладывать в целевую реакцию », – объясняет Ханна Бухзеншуц, докторант Технического университета Граца и первый автор исследования. Таким образом можно решить проблему низкой продуктивности цианобактерий из-за высокой плотности клеток. "Другими словами, мы можем использовать только определенное количество ячеек. Вот почему мы должны заставить клетки работать быстрее. «Мы разработали метод с использованием так называемой метаболической инженерии, который делает цианобактерии более зрелыми для биотехнологического применения», – сказал Курист.
Помимо увеличения продуктивности самой клетки за счет целенаправленных вмешательств на уровне генов, исследователи Граца также работают над новыми концепциями процесса культивирования водорослей. Один из подходов – вводить источники света непосредственно в клеточную суспензию, например, через мини-светодиоды. Также проводятся эксперименты с новой геометрией.
Таким образом, цианобактерии в форме инкапсулированных маленьких сфер, так называемых «шариков», могут поглощать больше света в целом. Роберт Курист комментирует: «Очень важно комплексно разработать все меры на пути к крупномасштабному промышленному применению биокатализаторов на основе водорослей. Это возможно только при междисциплинарных исследованиях, которые рассматривают функцию фермента так же, как мы смотрим на инженерию в фотосинтетической клетке."