Bacteriën beloven een duurzame manier te zijn om brandstoffen en andere chemicaliën voor de industrie te produceren. De bottleneck is echter vaak een te lage productiviteit. Amerikaanse wetenschappers pakken dit probleem nu bij de wortel aan door luie bacteriën te verhongeren en hardwerkende cellen juist te stimuleren. Ze verhogen op die manier de productie met een factor drie.
Om de wereld duurzamer te maken zou het helpen als we ophouden met het verbranden van fossiele brandstoffen. We kunnen deze stoffen ook from scratch maken, met behulp van bacteriën. Voor uiteenlopende chemische stoffen gaat dat prima: bacteriën kunnen eenvoudige brandstoffen maken, zoals ethanol en butanol, maar ook de (natuurlijke) grondstoffen voor geneesmiddelen.
Een beperking die zich daarbij voordoet, is de productiviteit van de bacteriën. Het rare is dat twee micro-organismen die genetisch volkomen identiek zijn, heel anders kunnen presteren. Dat hangt slechts voor een deel van de omgeving af, zo bewijzen onderzoekers van de Washington University in Saint Louis, VS.
Arbeidsethos
Zij zoomden in op verschillende kweekjes van de modelbacterie E. coli en ontdekten dat slechts een klein deel van de eencelligen ijverig aan het produceren was. De rest hing er maar een beetje bij en droeg weinig bij aan de opbrengst van chemicaliën. Terwijl ze wel de voedingsstoffen opsoupeerden die voor de harde werkers waren bestemd. Dit schrijven de onderzoekers in het vakblad Nature Chemical Biology.
De onderzoekers ontdekten ook dat deze verschillen in arbeidsethos niet kwamen door genetische verschillen, maar door een soort biologische ‘ruis’ die er nu eenmaal is. Daaraan liggen fundamentele biologische mechanismen ten grondslag, zoals ongelijke celdeling en het verschijnsel dat bij het kopiëren van het DNA tijdens de celdeling soms enkele basen (A, T, C of G) wegvallen of zich spontaan verdubbelen.
Kwaliteitscontrole
Tot zover de natuur; de onderzoekers uit de VS zouden geen ingenieurs zijn, als ze niet ook een oplossing voorstelden. Ze ontwikkelden een ‘kwaliteitscontrole voor bacteriën’, PopQC genaamd. Die is gebaseerd op een chemische sensor die je in een bacterie kunt stoppen om de activiteit te meten. Wanneer die meet dat een bacterie prima draait, maakt hij een eiwit aan dat de bacterie laat overleven en zelfs groeien. Maar als een bacterie niet hard genoeg werkt, dan doet de sensor niets en krijgt de bacterie geen voedingsstoffen meer, zodat hij verhongert. Op deze manier is een bacteriepopulatie per saldo productiever te maken.
Om deze te hypothese te testen stopten de onderzoekers hun sensor in twee kolonies genetisch gemodificeerde E. coli-bacteriën, die zo waren geprogrammeerd dat ze respectievelijk een bouwsteen voor biobrandstoffen produceerden, en het aminozuur tyrosine, een grondstof voor geneesmiddelen. In beide gevallen bleek de kwaliteitscontrole te werken en leidde die tot een verdrievoudiging van de productie.
Patent
De onderzoekers hebben patent aangevraagd op hun veelbelovende vinding. ‘We verwachten onze kwaliteitscontrole te kunnen gebruiken bij veel meer verschillende biosyntheseprocessen. Zolang er maar een moleculaire sensor te bedenken is die het gemaakte product in de bacterie kan meten’, aldus onderzoeksleider Fuzhong Zhang in een persbericht van zijn universiteit.
Alle details over het onderzoek zijn te lezen in het artikel Exploiting nongenetic cell-to-cell variation for enhanced biosynthesis in Nature Chemical Biology.
Openingsfoto: Kolonies E. coli-bacteriën op een petrischaaltje. Bron: YW Lim/Flickr.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.