Xanthommatin egy különleges pigment, amely lenyűgöző színképével és optikai tulajdonságaival tűnik ki. Azonban ennek a természetes anyagnak a kutatása és alkalmazása eddig jelentős akadályokba ütközött, elsősorban az előállítási nehézségek miatt. A pigment hagyományos módon történő kinyerése állatokból nem skálázható és nem hatékony, míg a laboratóriumi kémiai szintézis munkaigényes, alacsony hozamú folyamatokat jelent.
A kihívás: xanthommatin fenntartható előállítása
A xanthommatin pigmentet főként tengeri állatokból, például polipokból nyerik ki, ahol természetes módon fordul elő. Ez azonban nemcsak etikai és környezeti aggályokat vet fel, hanem gazdaságilag sem életképes nagy mennyiségben. A hagyományos laboratóriumi kémiai szintézis során a pigment előállítása bonyolult vegyi reakciókat igényel, amelyek alacsony hatékonyságúak és költségesek.
Ezért a tudósok egy olyan innovatív megoldást kerestek, amely lehetővé teszi a xanthommatin fenntartható, hatékony és skálázható előállítását.
Az áttörés: növekedéshez kötött bioszintézis baktériumokban
A Scripps Oceanography Moore Laboratóriumának kutatói, együttműködve az UC San Diego és a dán Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability szakembereivel, egy újszerű biotechnológiai megközelítést dolgoztak ki. Ezt a módszert „növekedéshez kötött bioszintézisnek” (growth coupled biosynthesis) nevezték el.
Mit is jelent ez pontosan? Ahelyett, hogy egyszerűen génmódosítással kényszerítenék a baktériumokat a pigment termelésére – ami általában metabolikus terhet ró rájuk –, a kutatók úgy alakították át a baktériumokat, hogy a xanthommatin előállítása közvetlenül összekapcsolódjon azok túlélésével és növekedésével.
Ez azt jelenti, hogy a baktériumok „motiváltak” arra, hogy minél több pigmentet állítsanak elő, mivel ez közvetlenül befolyásolja életképességüket. Így egyfajta visszacsatolási mechanizmus jött létre, amely önmagát erősíti – minél több pigmentet termelnek, annál jobban nőnek és szaporodnak.
Az innováció részletei: hogyan működik a növekedéshez kötött bioszintézis?
- Genetikai tervezés: A kutatók beépítettek egy olyan genetikai áramkört a baktériumokba, amely összekapcsolja a xanthommatin bioszintézis útvonalát az alapvető anyagcsere-folyamatokkal.
- Metabolikus integráció: A pigment termelése nem csupán egy „extrém” funkcióként jelenik meg, hanem létfontosságúvá válik a baktérium számára.
- Túlélési ösztönzés: A baktériumok csak akkor képesek megfelelően növekedni és osztódni, ha elegendő mennyiségű xanthommatint állítanak elő.
- Környezeti alkalmazkodás: Ez az új rendszer lehetővé teszi, hogy a baktériumok önszabályozó módon optimalizálják pigmenttermelésüket az adott körülmények között.
A kutatás vezetője és jelentősége
A tanulmány vezető szerzője Leah Bushin volt, aki jelenleg a Stanford Egyetem oktatója. Korábban posztdoktori kutatóként dolgozott a Moore Laboratóriumban, ahol ez az innováció megszületett. Bushin így foglalta össze az eredményt:
“Teljesen új megközelítésre volt szükségünk ennek a problémának a megoldásához. Lényegében kitaláltunk egy módszert arra, hogy ‘becsapjuk’ a baktériumokat, hogy minél több szükséges anyagot állítsanak elő.”
Ezzel az új technológiával áttörést értek el abban, hogy miként lehet idegen vegyületeket – mint például a xanthommatint – hatékonyan termeltetni mikroorganizmusokkal anélkül, hogy azok metabolikus stresszt szenvednének el vagy ellenállnának az erőltetett termelésnek.
Miért fontos ez az áttörés?
- Fenntarthatóság: A természetes források kímélése mellett csökkenthető az állati eredetű pigmentek iránti kereslet.
- Költséghatékonyság: Az ipari méretű termelés gazdaságosabbá válik az alacsonyabb munka- és anyagigény miatt.
- Környezeti hatás: Kevesebb vegyi anyag használata és hulladék keletkezése jellemzi ezt a biotechnológiai folyamatot.
- Új alkalmazási lehetőségek: A xanthommatin különleges szín- és fényvisszaverő tulajdonságai miatt számos iparágban – például kozmetikumokban vagy optikai eszközökben – hasznosítható lesz.
Kitekintés: jövőbeli fejlesztések és alkalmazások
A Moore Laboratórium és partnerei folytatják ezen technológia fejlesztését annak érdekében, hogy még hatékonyabbá tegyék a pigmenttermelést és szélesebb körben alkalmazhatóvá váljon. Emellett vizsgálják más értékes természetes vegyületek hasonló módon történő mikrobiális előállítását is.
Ezzel az új megközelítéssel nemcsak egy régóta fennálló biotechnológiai problémát oldottak meg, hanem utat nyitottak egy fenntarthatóbb és innovatívabb ipari biotechnológia felé is.
Forrás: https://today.ucsd.edu/story/scientists-produce-powerhouse-pigment-behind-octopus-camouflage