Разработан штамм бактерии для производства экологичного пластика и белка

Новости МирТесен

Российские исследователи идентифицировали новый вид бактерий, способный преобразовывать жировые отходы рыбного производства в биопластик и биопротеин – белок, получаемый из одноклеточных организмов. Эта технология позволяет не только получать доступное сырье для изготовления экологически чистых пластиков и продуктов с высоким содержанием белка, но и находить решение для утилизации значительных объемов отходов, образующихся в процессе рыбоконсервирования. О результатах работы ученых сообщается в журнале Polymer Journal.

Современное человечество испытывает дефицит белка и сталкивается с проблемой накопления пластиковых отходов. В настоящее время сельскохозяйственное производство удовлетворяет лишь 40% глобальной потребности в белке. А пластик, требующий десятилетия для разложения, продолжает скапливаться в океанах и почвах. На первый взгляд, эти вызовы не имеют отношения друг к другу. Тем не менее, их можно разрешить комплексно, используя микробиологический синтез. Определенные бактерии, используя углерод в качестве источника питания, способны производить как белок, так и биоразлагаемые полимеры. Однако данный метод имеет существенные ограничения. В частности, промышленное производство сдерживается высокой стоимостью сырья – расходы на углеродный субстрат (обычно сахара или масла) составляют 45-50% от общего бюджета. Кроме того, не все бактерии обладают необходимыми метаболическими характеристиками.

Новый штамм бактерии был выделен учеными из Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук и Сибирского федерального университета Cupriavidus necator B-15081, способный эффективно расщеплять жиры. Специалисты впервые показали, что данный штамм может производить биоразлагаемые полимеры и одноклеточный белок при выращивании на жире, извлекаемом из отходов промысловых рыб: скумбрии и кильки. Использование такого сырья позволяет вовлекать трудноутилизируемые отходы в биотехнологические процессы и формировать замкнутые производственные циклы.

Штамм C. necator был выделен из почвы полевого чернозема. Эксперименты показали, что он стабильно растет при комнатной температуре и на различных углеродных субстратах, включая жиросодержащие отходы, извлекаемые из рыбных отходов. Варьирование и подбор условий выращивания бактерий нового штамма позволили контролировать и «переключать» внутриклеточный метаболизм: на полной среде в проточной культуре получена суперпродукция белка; в периодическом режиме при дефиците азота в среде бактерии накапливали биополимеры. Биотехнологи получили высокое содержание разрушаемых полимеров (полигидроксиалканоатов), которые имели низкую кристалличность и высокую молекулярную массу, что делает их одновременно гибкими и прочными. Также штамм оказался способным производить большое количество белка, который представлен полным набором аминокислот, включая незаменимые.

Для определения потенциала нового штамма C. necator B-15081: исследователи сопоставили полученные данные с результатами, полученными для других штаммов, культивированных на аналогичных видах отработанного растительного масла. Анализ выявил, что новый штамм демонстрирует заметно лучшие характеристики по сравнению с предыдущим во всех основных аспектах. Микроорганизмы усвоили более 80% предоставленного им отработанного жира в качестве нового биотехнологического ресурса. Это обеспечивает экономию сырья и позволяет эффективно перерабатывать отходы. Полученные данные свидетельствуют о том, что новый штамм C. necator B-15081 представляет интерес для изготовления современных и пользующихся спросом товаров, таких как биоразлагаемый пластик и биопротеин. Изученные отходы, образующиеся при переработке рыбы, могут обеспечить значительный и постоянно пополняемый запас сырья для выпуска необходимых продуктов.

«Нам удалось создать устойчивую среду для развития новой штаммовой культуры Cupriavidus necator B-15081. Микроорганизмы способны накапливать до 83% ценного биопластика внутри клеток, что демонстрирует выдающийся выход готового продукта. Белок, синтезируемый бактериями, может служить заменой дефицитным соевым шротам или мясокостной муке в рационе сельскохозяйственных животных и в аквакультуре. Производство данного белка особенно важно в условиях растущего населения Земли. Этот процесс позволяет получать белок без необходимости расширения посевных площадей и значительных затрат воды, что характерно для традиционного сельского хозяйства. Существенным преимуществом является то, что для питания бактерий используются отходы. Это не только снижает издержки на сырье, но и способствует решению экологических задач, связанных с уменьшением количества отходов и переходом к экономике замкнутого цикла. Например, отходы, образующиеся при производстве шпротов из килечных рыб, содержат компоненты копчения, из-за чего они не пригодны для традиционных методов получения рыбной муки и обычно утилизируются на полигонах, что сопряжено со значительными расходами. Тем не менее, экономическая эффективность переработки такого сырья оказалась в 1,5–2 раза выше, чем при использовании обычных сахаров для кормления бактерий. То есть жир из отходов рыбопереработки гораздо выгоднее для биотехнологического производства биопластика. Такой подход убивает двух зайцев: решает экологическую проблему утилизации отходов и дает дешевое сырье для биотехнологий. В дельнейшем мы планируем получить более быстрорастущую культуру этого штамма, чтобы еще больше повысить экономическую эффективность», — заключила руководитель работы, доктор биологических наук, профессор Татьяна Волова, заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН.

Материалы и фотографии предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»