Tutkijat kehittivät fotosynteettisen järjestelmän uusiutuvien kemikaalien pitkäkestoiseen tuotantoon

Monet nykyiset yhteyttävät tuotantojärjestelmät perustuvat suspensiokasvatuksiin, jotka vaativat suuria määriä nestettä. Tämä johtaa mittavaan veden kulutukseen ja edellyttää sekoittamista, jotta solut altistuvat valolle tasaisesti, mikä puolestaan lisää prosessin resurssi- ja energiavaatimuksia entisestään.

– Käytännön kemikaalituotannossa yhteyttävien mikro-organismien tulee sekä lisätä biomassaansa kasvamalla että toimia vakaina ja pitkäikäisinä biokatalyytteinä. Yksi tällaisten suspensiokasvatusten keskeisistä rajoitteista on solujen itsevarjostus: lähellä valonlähdettä olevat solut estävät valon pääsyn alemmas. Tämä heikentää valon käytön tehokkuutta ja vaikeuttaa teknologian skaalaamista teolliseen käyttöön, sanoo vanhempi erikoistutkija Sergey Kosourov Turun yliopistosta.

Parantaakseen suspensiokasvatuksen tehokkuutta tutkijat sitoivat syanobakteereja nanoselluloosakalvoihin. Nämä biofilmit toimivat biohybridisinä elävinä katalyytteinä: solut yhteyttävät ja tuottavat haluttua kemikaalia ilmakehän hiilidioksidista, kun taas ympäröivä materiaali ylläpitää kosteutta, tukee solujen elinvoimaisuutta ja edistää valon kulkeutumista.

– Merkittävä edistysaskel on se, että yhdistimme muokatut yhteyttävät solut tukimateriaaleihin ja kehitimme toimivia eläviä järjestelmiä kemikaalien tuotantoon. Tämä biohybridinen lähestymistapa yhdistää solujen luonnolliset ominaisuudet materiaalin hallittaviin ominaisuuksiin, kertoo Turun yliopiston molekulaarisen kasvibiologian professori Yagut Allahverdiyeva-Rinne.

Elävät biofilmit ylläpitivät kemikaalituotantoa yli neljän kuukauden ajan

Tutkijat testasivat etyleeniä tuottavia syanobakteereja sisältäviä nanoselluloosakalvoja biofilmireaktorissa. Kalvot pysyivät kosteina ja olivat kosketuksissa reaktorin kaasufaasiin, mikä mahdollisti etyleenin vapautumisen ja talteenoton. Näissä olosuhteissa syanobakteeribiofilmit säilyivät aktiivisina yli neljän kuukauden ajan ja tuottivat jopa noin kaksinkertaisen määrän etyleeniä verrattuna vastaaviin suspensiokasvatuksiin.

– Useimmat yhteyttävän biotuotannon tutkimukset keskittyvät mahdollisimman suureen tuotantonopeuteen lyhyellä aikavälillä. Käytännön sovellusten kannalta on kuitenkin tärkeää selvittää, pysyvätkö solut tuottavina viikkojen tai kuukausien ajan ja voivatko ne toimia pitkäikäisinä biokatalyytteinä, Kosourov sanoo.

Tutkijat arvioivat myös nanoselluloosamateriaalien biohajoavuutta ja osoittivat, että ne voidaan kierrättää tuotantovaiheen jälkeen. Tämä tukee biohajoavien ja mahdollisesti kierrätettävien materiaalien kehittämistä fotosynteettiseen tuotantoon.

– Seuraava haasteemme on skaalata pienten laboratoriobiofilmien suorituskyky suurempiin ja luotettaviin tuotantojärjestelmiin. Tämä edellyttää solujen, materiaalien ja reaktorien yhteensovittamista niin, että valo, vesi ja hiilidioksidi jakautuvat tehokkaasti myös suuremmassa mittakaavassa. Onnistuessaan tämä alusta voisi tukea uuden sukupolven vähäenergiaisten biohybriditeknologioiden kehittämistä uusiutuvien kemikaalien ja polttoaineiden tuotantoon, Allahverdiyeva-Rinne kertoo.

Tutustu tutkimusartikkeliin Trends in Biotechnology -lehdessä:

Over four months of ethylene production using solid-state photosynthetic cell factories.