Arheje v biotehnologiji

Uvod

Arheje lahko glede na njihovo okoljsko nišo enostavno razdelimo na tri fenotipe: termofile, metanogene in ekstremne halofile. Vsaka skupina ima edinstvene biokemijske lastnosti, ki jih je mogoče uporabiti v biotehnološki industriji. Arheje so na področju industrijske biotehnologije doslej zaostajale za bakterijami in evkarionti. Ti organizmi naravno proizvajajo ali pa jih je mogoče inženirsko spremeniti za proizvodnjo številnih proizvodov, kot so biogoriva, bioplastika, površinski proteini, lipidi in kemikalije, ki so potrebne za industrijsko sintezo ostalih molekul.

Metan

Metanogeni so ena najbolj razširjenih skupin mikroorganizmov. Njihov energijski metabolizem je izjemno unikaten, saj je neodvisen od molekularnega kisika in pogosto neodvisen tudi od prisotnosti organskih molekul. Kot končni porabniki hlapnih maščobnih kislin, alkoholov ali plinov v anaerobni prehranjevalni verigi proizvajajo močan toplogredni plin - metan. Metanogeni presnavljajo različne substrate, vključno s plini, kot so molekularni vodik, ogljikov monoksid in ogljikov dioksid, ter spojinami, kot so acetat, metanol in metoksilirane spojine. Metanogene arheje so sposobne rasti pri temperaturah od 0 do 122 °C, vendar imajo lahko zelo različne hitrosti rasti, tudi pri isti temperaturi. Večina le-teh uporablja mešanico vodika in ogljikovega dioksida kot substrat, medtem ko nekatere vrste uporabljajo metilne spojine, acetat pa uporablja najmanjši delež metanogenov. Vsi ti substrati so produkti razkroja organskih snovi, zato je metanogeneza običajno zadnja stopnja mineralizacije organskih snovi v anaerobnih pogojih, če ni drugih akceptorjev vodika, kot sta nitrat ali sulfat. Približno tretjina arhej za rast ne more uporabiti nobenega drugega vira energije in ogljika razen mešanice vodika in ogljikovega dioksida. Ta pojav je še posebej opazen med arhejami, izoliranimi iz geotermalnih okolij, kar je verjetno posledica odsotnosti ali nizkih ravni drugih substratov v vulkanskih okoljih. V teh okoljih je voda obogatena z vodikovim sulfidom, vodikom in amonijevimi ioni. Po drugi strani je koncentracija organskih spojin nizka, kar naj bi predvsem spodbujalo razvoj arhej, ki izkoriščajo vodik. Glede na biotehnološko uporabo metanogenih organizmov se raziskuje in razvija bioelektrokemična pretvorba ogljikovega dioksida v metan z uporabo napetosti in metanogenov za biološko proizvodnjo metana na osnovi ogljikovega dioksida (CO2-BMP). Pri tem se vodik uporablja kot reducent. Študije so pokazale, da ima ta tehnologija velik potencial za shranjevanje odvečne električne energije, kot je energija iz vetrnih ali sončnih elektrarn, v obliki kemične energije Pri CO2-BMP je pomembno doseči uravnotežen kompromis med hitrostjo izločanja metana (MER) in volumskim odstotkom metana v odpadnih plinih. Pri nizkem volumskem pretoku plina na enoto delovne prostornine na minuto (vvm) se poveča koncentracija metana v odpadnih plinih, saj se več plinastega substrata običajno prenese v tekočo fazo in ga metanogeni pretvorijo v metan. Vendar pa se pri tem zmanjša MER, saj se zmanjša količina razpoložljivega substrata za presnovo. Zato obstajata dva pristopa k CO2-BMP: pristop z visokim vvm in visokim MER ter pristop z nizkim vvm in visokim volumskim odstotkom metana v odpadnih plinih.

Molekularni vodik

Več kot tri četrtine svetovne proizvodnje vodika se trenutno pridobiva iz zemeljskega plina in premoga, medtem ko le majhen del proizvodnje temelji na električni energiji in obnovljivih virih. Vodik pa lahko proizvajajo tudi različni mikroorganizmi. Nekateri najbolj raziskani arheji za proizvodnjo molekularnega vodika so hipertermofilne vrste, kot so Desulfurococcus amylolyticus, Pyrococcus furiosus, Thermococcus barophilus, Thermococcus kodakarensis, Thermococcus litoralis, Thermococcus onnurineus in drugi. Doslej so najvišje proizvodne vrednosti dosegli pri T. onnurineus NA1, ki so ga gojili na ogljikovem monoksidu, pri čemer je v 30-litrskem bioreaktorju proizvajal vodik s hitrostjo 236 mmol/Lh. Podobno so pri proizvodnji vodika iz ogljikovega monoksida z uporabo seva T. onnurineus NA1 s prekomerno ekspresijo nativne dehidrogenaze ogljikovega monoksida (CODH) in hidrogenaze dosegli hitrost 124 mmol/Lh. Dodatno gojenje divjega tipa T. onnurineus NA1 v bioreaktorju pod tlakom pri 4 barih je povečalo hitrost proizvodnje na 360 mmol/Lh. Nadaljnji napredek pri proizvodnji vodika s temi in podobnimi arhejami bo odvisen od boljšega razumevanja njihovega metabolizma in njegove uporabe v industriji. Kot pri vseh bioloških proizvodnih sistemih je tudi v tem primeru pomembno vprašanje ustrezne energijske vire za izvedljivost industrijske proizvodnje. Nedavno je bilo predlagano, da bi format (HCOO-) lahko bil idealen industrijski vmesnik med fizikalno-kemijskim in biološkim področjem. V tem kontekstu bi format lahko deloval kot skladišče energije, ki se pridobi iz različnih industrijskih procesov, hkrati pa bi bil tudi vir energije za proizvodnjo goriv s pomočjo formatotrofnih mikrobov. Napredek pri uporabi formatotrofnih in karboksidotrofnih hidrogenogenih arhej kaže na potencial te tehnologije za postavitev dodatnega vira vodika kot čistega in obnovljivega nosilca energije.

Polihidroksialkanoati

Polihidroksialkanoati (PHA) so skupina raznolikih biopoliestrov. Sintetizirajo jih različne arheje in bakterije kot znotrajcelične spojine za shranjevanje ogljika in energije. Precej izjemne strukture jim omogočajo tvorbo biokompatibilnih polimerov različnih lastnosti. Poleg številnih sevov bakterij, izkaže se da je za njihovo sintezo pomembna skupina arhej (Haloarchaea), ki predstavljajo razred Euryarchaeota. Slednje so precej lokalizirane v hipersalinskih okoljih in za optimalni razvoj zahtevajo precej visoke koncentracijo soli. Pokazano je da Haloarchaea producira kratko verižne PHA kot so poli(3-hidroksibutirat), poli(3-hidroksibutirat-ko-3-hidroksivalerat) in terpoliester poli(3-hidroksibutirat-ko-3-hidroksivalerat-ko-4-hidroksibutirat). Terpoliestri skupaj s kopoliestri oziroma poli(3-hidroksibutirat-ko-4-hidroksibutirat) so uporabni za določene biomedicinske aplikacije, ki segajo od umetnih krvnih žil in vsadkov za regeneracijo kosti do kirurških orodij, zobozdravstvenih namen ipd. Dokazano je da je z ustrezno izbiro virov ogljika ter specifičnih substratov možno nadzorovati sestavo kopoliestra. Ta nadzor naj bi omogočil kontrolirano proizvodnjo specifičnih PHA z želenimi lastnostmi. Pri analizi produkcije PHA s haloarhejo Haloferax mediterranei je ugotovljeno da so se določeni PHA kopičili v obliki znotrajceličnih zrnc. Zato so sklepali, da proizvodnjo ni treba prekiniti takoj po izčrpanju eksogenega vira ogljika, saj po 24 urah po izčrpanju ostane 70 % proizvedenega PHA. Razlog za to je v tem da arheje sprva porabijo nizkomolekularne polimere in tako obogatijo frakcijo pred ekstrakcijo PHA iz gojišča, kar precej poveča učinkovitost proizvodnje.

Površinski proteini

Proteini površinske plasti (S-layer proteins) predstavljajo sestavine celične stene prisotne pri večini arhej in nekaterih bakterijah. Večinoma so močno glikozilirani in vloga takšnih glikoproteinov je poleg vzdrževanja celične morfologije in celične delitve, tudi vpliv na odpornost celic proti osmotskem stresu. Površinski proteini so med najbolj razširjenimi biopolimeri na planetu, njihova proizvodna zmogljivost pa je omejena le z zmožnostjo sinteze biomase želenih organizmov ter zmožnostjo same izolacije oziroma ekstrakcije slednjih protein iz takšne biomase. Glede na to da je mreža površinske plasti pogosto izpostavljena ekstremnim okoljskim razmeram gostitelja, glikoproteini te mreže pri arhejah ohranijo svojo strukturo in delovanje v različnih pogojih, kar je precej uporabno načelo. Njihova funkcija ostane nespremenjena od pH 1 do pH 12, pri temperaturah do 120 °C in v različnih organskih topilih, proteini so tudi pogosto odporni proti proteazam. Zaradi teh lastnosti so arheološki površinski proteini pred vsem uporabni v biotehnologiji. Izkaže se da je pomembna nanotehnološka uporaba njihovih fragmentov, in sicer iz razreda Sulfolobus acidocaldarius, za namen nanostrukturiranja površin in oblikovanje nanoklastrov. Tako je bila mogoča neposredna replikacija vzorca proteinske mreže v obliki urejenih kovinskih nanodelcev (Ti, Pd, Au). Arheološki površinski proteini naj bi lahko bili zanimiv produkt biotehnologije, ki bi ga v prihodnosti pridobivali iz izrabljene biomase, proizvedene v različnih drugih industrijskih proizvodnjah na osnovi arhej.

Plinski vezikli

Plinski vezikli (GV) so proteinske strukture, ki sodijo med naravnim organelam številnih bakterijah ter halofilnih arhejah. Med štirimi sevi halofilnih arhejah, ki jih sintetizirajo, le sev Halobacterium salinarium je uporaben za preučevanje potencialne uporabe v biotehnologiji. Plinski vezikli se pogosto uporabljajo kot ogrodja epitopov pri razvoju cepiv ter kot konstrastna sredstva pri medicinski diagnostiki. Eden izmed biotehničnih pristopov k oblikovanju cepiv je proizvodnja bioloških nanostrukturiranih ogrodij. Izkaže se da so nanodelci seva Halobacterium salinarium (GV-nano delci) precej uporabni za prikaz želenega antigena na površini GV. Slednji se pridobijo ko rekombinantne GV združimo z strukturnim proteinom GvpC v plinskem veziklu ter tako dobimo GV-nanodelec. Ena študija je prikazala imunski odziv na rekombinantni GV-nanodelec, ki je vseboval epitopsko podenoto virusa opičje imunske pomankljivosti (SIV). Podoben princip je dokazan pri številnih drugih patogenih, kar lahko nakazuje na to da rekombinantni GV-nanodelci sprožijo dolgotrajen imunski odziv, kadar prikazujejo podenote različnih epitopov. Takšen sistem nanodelcev plinskih veziklov je v biotehnologiji precej uporaben, saj je proizvodnja in dalja obdelava načeloma enostavna.

Viri

[1] Jabłoński, Sławomir, Paweł Rodowicz, and Marcin Łukaszewicz. Methanogenic archaea database containing physiological and biochemical characteristics. International journal of systematic and evolutionary microbiology 65.Pt_4 (2015): 1360-1368. https://doi.org/10.1099/ijs.0.000065