Wyobraź sobie przyszłość, w której paliwo do Twojego samochodu będzie warzone podobnie jak Twoje ulubione piwo. Wizja ta staje się bliższa rzeczywistości wraz z pojawieniem się produkcji biopaliw, w której maleńkie komórki drożdży odgrywają główną rolę w przekształcaniu odnawialnych materiałów organicznych w energię. Jednakże te minibrowary stoją przed wyzwaniem: są wrażliwe na produkty, które pomagają tworzyć. Związki takie jak izobutanol, choć obiecujące ze względu na swoje doskonałe właściwości paliwowe, zakłócają delikatną równowagę w komórkach drożdży, stanowiąc znaczną przeszkodę w produkcji biopaliw.
W odpowiedzi na tę przeszkodę odkryto nowatorskie podejście, które wyposaża drożdże w warstwę ochronną przed ostrym działaniem izobutanolu. Czerpiąc z podręcznika natury, odkryto, że białka organizmów wyższych, zwane aneksynami, można wprowadzić do drożdży w celu wzmocnienia ich barier komórkowych. Działając jak zbroja, białka te stabilizują zewnętrzną warstwę komórek, chroniąc je przed uszkodzeniami powodowanymi przez biopaliwa i wyznaczając potencjalną rewolucję w sposobie wykorzystania zrównoważonej energii. Ten przełom ma na celu nie tylko zwiększenie wydajności produkcji biopaliw, ale także stanowi znaczący krok w naszej podróży w kierunku bardziej ekologicznych rozwiązań energetycznych.
Na Uniwersytecie Wirginii profesor Carl Creutz zainicjował znaczącą innowację, która radykalnie poprawia efektywność produkcji biopaliw. Jego badanie, udokumentowane w „Scientific Reports”, pokazuje, jak włączenie aneksyn metazoanowych do komórek drożdży chroni je przed toksycznym działaniem izobutanolu. To rozwiązanie rozwiązuje kluczowy problem w produkcji biopaliw: negatywny wpływ biopaliw na kluczowe mikroorganizmy biorące udział w procesie fermentacji.
Produkcja biopaliwa, stanowiąca integralną strategię dotyczącą energii odnawialnej, jest wyzwaniem ze względu na toksyczność substancji takich jak izobutanol dla drożdży, niezbędnych do fermentacji. Profesor Creutz szczegółowo opisuje przyjętą strategię, stwierdzając: „Dodanie metazoańskich białek zależnych od wapnia, które wiążą się z błonami komórkowymi, zwanych aneksynami, może zmniejszyć szkodliwy wpływ izobutanolu na życie i złożone funkcje błon Saccharomyces cerevisiae”. Istota badań Creutza tkwi w ochronnym charakterze aneksyn. Białka te chronią błony komórkowe drożdży przed uszkodzeniami powodowanymi przez izobutanol, zwiększając w ten sposób przeżywalność drożdży i zachowując funkcje krytyczne dla fermentacji. „Aneksyna może działać jak «bandaż molekularny», koncentrując się dokładnie na miejscach uszkodzenia błony” – sugeruje Creutz, wyjaśniając, jak działają te białka.
Część a. Białko aneksyny (przedstawione przez czerwone cewki) wiąże się z jonami wapnia przechodzącymi przez membranę w wyniku defektu spowodowanego przez hydrofobowe biopaliwo. Aneksyna naprawia wyciek, przywracając normalną strukturę membrany.
Część b. Aneksyny powstają wewnątrz komórek drożdży w wyniku ekspresji genów zwierząt lub roślin wielokomórkowych. Wytwarzana jest wystarczająca ilość aneksyn, aby pokryć wszystkie miejsca uszkodzenie membrany.
Część c. Produkcja aneksyny zwiększa żywotność drożdży w obecności 2% izobutanolu. Wzrost drożdży wykrywa się poprzez pomiar zmętnienia (zmętnienia) hodowli drożdży za pomocą spektrofotometru (w jednostkach absorbancji – w skrócie A600). Po 24 godzinach w izobutanolu nie obserwuje się wzrostu komórek drożdży, jeśli nie jest wytwarzana aneksyna „brak”. Znaczący wzrost komórek drożdży występuje, jeśli wytwarzana jest jedna z trzech ludzkich aneksyn (ANX1, ANX2 lub ANX6) lub robak (nicienie) aneksyna (NEX1).
Część d. Po 48 godzinach w izobutanolu jedynie kultury ANX6 i NEX1 są nadal żywe, co wskazuje na doskonałą zdolność tych aneksyn do naprawy błon.
Badając zastosowane metodologie, Creutz wykorzystał połączenie inżynierii genetycznej i dokładnych testów, aby podkreślić ochronne działanie aneksyn. Poprzez ekspresję różnych aneksyn ludzkich i C. elegans w komórkach drożdży, w badaniu oceniono ich zdolność do przeciwdziałania toksycznemu działaniu izobutanolu, pokazując ich rolę w scenariuszach, począwszy od bezpośredniego hamowania wzrostu po wspomaganie zdolności drożdży do przebudowy błony podczas adaptacji do różnych środowisk wzrostu.
W testach, w których kultury drożdży mierzyły się z poziomem izobutanolu, który zazwyczaj hamuje wzrost, kultury drożdży zmodyfikowane w celu ekspresji aneksyn wykazały niezwykłą odporność w porównaniu z niezmienionymi kontrolami. Trwałość ta wynika ze zdolności aneksyn do „naprawy” miejsc uszkodzeń błony komórkowej, umożliwiając drożdżom rozwój nawet w trudnych warunkach narzuconych przez izobutanol.
Ponadto przejście komórek drożdży z glukozy do galaktozy – istotna zmiana wymagająca modyfikacji błony w celu wchłaniania galaktozy – było w dużym stopniu wspomagane przez aneksyny w obecności izobutanolu. Oznacza to nie tylko ochronną rolę drożdży przed toksycznością, ale także sugeruje poprawę zdolności adaptacyjnych drożdży, kluczowych dla wydajności produkcji biopaliw.
Poza produkcją biopaliw implikacje tego badania są ogromne i wskazują na potencjalne zastosowania w dziedzinach biotechnologicznych, oferując nowatorską metodę poprawy odporności drobnoustrojów na związki hydrofobowe. Może to mieć wpływ na produkcję farmaceutyków i innych chemikaliów, ukazując szerokie zastosowanie technologii aneksyn.
W dążeniu do zrównoważonych rozwiązań energetycznych wkład profesora Creutza stanowi znaczący krok naprzód. Wykorzystując ochronną moc aneksyn, badania te nie tylko pokonują główne wyzwanie związane z produkcją biopaliw, ale także wytyczają nowe ścieżki dla innowacji biotechnologicznych, zwiastując erę, w której zrównoważone rozwiązania energetyczne będą zarówno bardziej wydajne, jak i przyjazne dla środowiska.
ODNIESIENIE DO DZIENNIKA
Carl E. Creutz, Ekspresja aneksyn metazoanowych w drożdżach zapewnia ochronę przed szkodliwym działaniem izobutanolu biopaliwa, raporty naukowe, 2019. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-55169-9.
O AUTORZE
Prof. dr Carl E. Creutz. Po uzyskaniu tytułu licencjata z fizyki na Uniwersytecie Stanforda (1969), tytułu magistra fizyki na Uniwersytecie Wisconsin (1970) i stopnia doktora. Uzyskał tytuł magistra biofizyki na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa (1976) dr Creutz prowadził podstawowe badania z zakresu biologii molekularnej i komórkowej w NIH w Bethesda, Maryland, jako pracownik naukowy (1976–1979) i starszy pracownik naukowy (1980–1981). W 1981 roku został zatrudniony na Wydziale Farmakologii Uniwersytetu Wirginii jako adiunkt. W 1987 roku otrzymał tytuł profesora nadzwyczajnego, a w 1994 roku profesora zwyczajnego. W 2003 r. dr Creutz został wybrany na profesora nauk medycznych w dziedzinie farmakologii w Harrison i piastuje to stanowisko równolegle ze stanowiskiem profesora farmakologii.
