MARS-magnetni sistem za recikliranje ATP

Projekt MARS je bil delo nemške ekipe iz Aachena pod vodstvom Julie Gehrmann, študentke računalništva in Marcela Wittmunda, študenta biotehnologije. Nagrajeni so bili z zlato medaljo, med vsemi podiplomskimi programi pa so zasedli drugo najboljše mesto.

Spletna stran: [1] Avtor povzetka: David Miškić

Bioreaktor

Bioreaktorji so naprave, v katerih se vzpostavi in kontrolira okolje za potek kemijskega procesa, ki ga izvajajo živi organizmi. Reakcijska mešanica je konstantno mešana, po potrebi pa lahko dovajamo zrak, hranila in reagente ter odvajamo odvečno kulturo ali produkte. V bioreaktorju so organizmi lahko prosto plavajoči ali imobilizirani na podlagi, reakcija pa šaržna, kjer po poteku vsakič znova sestavimo mešanico ali kontinuirana, kjer konstantno odvajamo izrabljeno mešanico. Proces ni omejen le na uporabo celotnih mikroorganizmov, možno je tudi izvajanje le z encimi in ostalimi produkti [1].

Problem ATP in ideja

Adenozin trifosfat (ATP) je nukleotid, sestavljen iz adenina, riboze in treh fosfatov. Je pomemben kofaktor pri encimskih reakcijah, saj je kot najbolj pogost energent vpleten pri večini metabolnih poti, prav tako pa ima lahko stranske vloge pri regulaciji in post translacijskih modifikacijah [2]. Pri industrijskih postopkih se ne regenerira, ker je celična respiracija preveč kompleksen proces, da bi ga lahko posnemali izven organizmov, zato se mora dodajati in proizvajati s pomočjo kemijske sinteze prek polifosfatov ali pa z genetsko modificiranimi organizmi, za katere je potrebno imeti ločeno opremo in velika mera prečiščevanja [3]. Ekipa si je za cilj zadala razvoj bioreaktorja, ki je sposoben ciklične produkcije ATP s pomočjo sončne svetlobe. Tako ni potrebno naknadno dodajati ATP, ta pa se tudi dokončno ne porablja. Niso izbrali dela na celotnih živih celicah, ampak na kemijski šasiji. Tako so se izognili možnosti stranskih reakcij. Začeli so z obstoječim postopkom regeneracije, ki temelji na liposomih z bakteriorodopsinom in ATP sintazo, dodali pa so magnetno imobilizacijo delcev in namesto liposomov uporabili polimersome. Magnetna imobilizacija omogoča ponovno uporabo ter tako dodatno prispeva k nižanju cene postopka.

Komponente

Bakteriorodopsin izvira iz Halobacterium salinarum, ATP sintaza pa iz Saccharomyces cerevisiae. Bakteriorodopsin je membranski protein arhej, ki vsebuje eno molekulo retinala, bližnja asparaginska kislina pa je vir protonov za njegovo protonacijo. V prisotnosti svetlobe retinal spremeni konformacijo in proton odda v zunajcelični prostor. Najbolj učinkovito se absorbira zelena svetloba v rangu 500-650 nm z maksimumom pri 568 nm [4]. ATP sintaza uporabi protonski gradient kot vir energije za pretvorbo ADP v ATP. Prav tako je membranski protein, ki uporabi energijo dveh protonov za formacijo ene fosfodiesterske vezi [6]. Polimersom je izgrajen iz mešanice PETOz (poli(2-etil-2-oksazolin)) in PDMS (polidimetilsiloksan) polimerov, okoli 100-500 nm v premeru. So bolj stabilni od liposomov [7]. Magnetne kroglice iz polistirena so vezane na več polimersomov, velike so okoli 3,7 um. Za vezavo poskrbi proteinski kompleks iz sidrnega proteina za liposome in polistirenskega vezavnega proteina. Posebnost pristopa je tudi, da so encimi v primerjavi z biološkimi obrnjeni, saj se protoni črpajo v notranjost polimersomov, ATP pa je tako generiran v okolju. Ob tem si je ekipa zadala narediti še 2 dodatne strojne komponente, ki bi proces naredile bolj avtomatiziran, prav tako pa te komponente pomagajo pri celostni izvedbi procesa. Zasnovali so stresalnik iz poceni splošno dostopnih komponent kot je 12V motor in pogonski pas iz 3D tiskalnika, ki se prilega Erlenmajericam ter mehansko roko za pomikanje cevk iz flašk med izvedbo reakcije, saj sicer povzročijo prevelike strižne sile. Za roko so nadgradili obstoječi pristop iz 2017. Dodatno so izdelali IOT platformo za skupno kontrolo vse opreme, vendar pa niso uspeli realizirati vsega v danem času, predvsem zaradi okrnjenega dostopa do ustrezne opreme zaradi pandemije.