Bæredygtige kemikalier kan produceres af samarbejdende bakterier

Verden bevæger sig i retning af mere og mere biologisk produktion af industrielt interessante kemikalier, hvor firmaer udnytter bakterier til at lave alt fra biobrændsel til kemikalier, der kan erstatte plastik.

Hidtil har firmaer holdt sig til at benytte én type bakterie med enten aerob eller anaerob fermentering i deres produktion, men nu viser et nyt studie, hvordan man kan designe bakterier, så man på samme tid kan have både aerob og anaerob fermentering i sine reaktorer.

Drømmen om på den måde at lave et konsortium af bakterier med forskellige roller i en biologisk produktion har eksisteret længe, og studiet viser, hvordan man kan gøre det på en helt ny måde.

Konsortier af bakterier åbner op for større udbredelse af brugen af bakterier i industriel produktion af en lang række kemikalier.

»Der kan være flere forskellige årsager til, at man gerne vil benytte forskellige bakterier i sammen produktion. For eksempel kan forskellige bakterier udnytte forskellige typer af substrat til at lave samme produkt, eller forskellige bakterier kan supplere hinanden i produktionen ved for eksempel at udnytte hinandens biprodukter til at lave noget, der er industrielt interessant. Vi kommer her med en løsning til, hvordan man kan have både aerob og anaerob fermentering i samme reaktor,« forklarer en af forskerne bag studiet, seniorforsker Sheila Ingemann Jensen fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

Forskningen er offentliggjort i Nature Communications.

Vil lave plexiglas med bakterier

I studiet har forskerne arbejdet med ikke-patogene colibakterier til produktion af de to stoffer xylitol og isobutylsyre, der kan benyttes til at lave forskellige former for plastik, blandt andet plexiglas.

Udfordringen er, at for at det kan blive økonomisk attraktivt at producere disse stoffer på en mere bæredygtig måde, skal bioproduktionen være mere effektiv.

I studiet har forskerne derfor fokuseret på muligheden for, at man i én reaktor kan have både aerob og anaerob respiration, så man med to fermenteringer på samme tid kan lave begge stoffer og med samme udbytte, hvilket vil kunne mindske både kapitaludgifter og driftsomkostninger ved produktionen.

Meget af den udfordring kan forskere allerede i dag klippe sig ud af med genetiske sakse, men ikke helt.

»Man kan godt fjerne naturlige fermenteringsgener, men man kan ikke på samme tid have anaerob fermentering og fjerne fermenteringsgenerne, for så kan bakterierne ikke vokse, uden at man erstatter fermenteringsvejene med noget andet. Hvis man undlader at fjerne de naturlige fermenteringsgener, får man til gengæld biprodukter som mælkesyre, og meget af den energi, som helst skal ind i produktionen af interessante stoffer, vil bakterierne bruge på vækst,« forklarer Sheila Ingemann Jensen.

Brugte CRISPR inteference for at slukke for det sidste gen.

I forskningsarbejdet har Sheila Ingemann Jensen med sine kollegaer klippet og klistret i to colibakterier for at få dem til at samarbejde på en helt ny måde med formålet at få en mere effektiv produktion af de to førnævnte kemikalier.

For det første har de udviklet en colibakterie, der kan producere xylitol.

I denne bakterie har de fjernet to ud af tre gener til respiration, altså brugen af ilt til at vækste. Det vil sige, at colibakterierne stadig kan vokse med det sidste respirationsgen.

Forskerne har så yderligere brugt CRISPR interference (CRISPRi), så de genetisk kan slukke for det sidste gen ved at tilsætte et stof til den væske, som bakterierne lever i.

Derved kan de få bakterierne til at vokse til en vis mængde og så slukke for respirationen, hvorefter bakterierne bruger alt deres energi på at lave xylitol uden at skulle bruge mere ilt.

Forskerne har i deres forskning desuden vist, at de kan holde væksten i bakterierne nede over længere tid, så bakterierne ikke pludselig begynder at vokse igen.

»Udfordringen er dog, at denne bakterie fortsat producerer eddikesyre som biprodukt, og det skal gerne tages ud af væsken, men det er et dårligt substrat under anaerobe forhold. Til det skal der bruges ilt,« forklarer Sheila Ingemann Jensen.

Kombinerede to bakterier med forskellige egenskaber

Den anden bakterie, som forskerne har designet, er afhængig af eddikesyre til at vokse, og den skal bruge ilt for at omsætte glukose og eddikesyre til vækst og isobutylsyre.

Det vil sige, at når den første bakterie producerer eddikesyre (og xylitol), laver den samtidig et substrat for den anden bakterie uden samtidig at bruge den ilt, som den anden bakterie også skal bruge for at vokse og producere isobutylsyre.

Samlet set gør det, at de to bakterier tilsammen understøtter hinandens produktion af de eftersøgte produkter uden at stå i vejen for hinanden ved at skulle bruge de samme substrater.

Ydermere har forskerne i deres studie vist, at når bakterierne er samlet i samme væske, producerer de et lige så stort udbytte, som når de eksisterer i hver deres flaske.

»Det er selve grundtanken i det, som vi har lavet. Vi har vist, at vi kan få bakterier til at samarbejde i et konsortium om at producere nogle kemikalier, der er industrielt interessante, og at det ikke formindsker udbyttet. Tanken om at have både aerob og anaerob fysiologi i samme reaktor uden biofilm er ny og findes ikke i naturen. Endelig har vi også vist, at vi kan kontrollere bakteriernes vækst. Vi kan lukke ned for væksten, uden at bakterierne bryder fri med nye mutationer, og vi kan tænde for væksten igen for at få antallet af bakterier til at vokse, når der er behov for det. Det baner vejen for at se på produktion af industrielt interessante kemikalier med bakterier på en helt ny måde,« siger Sheila Ingemann Jensen.