10 Haziran 2014 Salı

Güneş ışığından PHA üretmek

Biyoplastics Magazine 04/14 sayısında özeti yayınlanan bilimsel çalışmada genetiği değiştirilmiş bakterilerin önemli bir biyoplastik çeşidi olan Polihidroksialkonat (PHA) üretiminde kullanım potansiyelini ortaya çıkarıyor. Bu gibi farklı çalışmalar ile karbon kaynağına gereksinim duyulmadan tamamen ototrofik yöntemlerle biyo-bazlı ekonomiye geçme yolunda önemli adımlar atılabilir. Her ne kadar daha uzun yollar katedilmesi gerekse de, bu işlerin temelinde bilimsel çalışmalar bulunuyor.

Siyanobakterilerde Fotosentez yoluyla biyoplastik üretim yolu


Geçtiğimiz son birkaç on yılda, bütün biyo-bazlı polimerler arasında, polihidroksialkonatlara (PHA) karşı olan ilgi özellikle de uygun çevrelerde tamamen biyobozunur olmaları sebebiyle önemli ölçüde arttı.PHA'ların biyobozunurlukları dışındaki bir diğer çekici özelliği ise, yenilenebilir kaynaklardan sentezlenebilip büyük ölçekte sürdürülebilir bir üretime olanak sağlamalarıdır. PHA istenmeyen büyüme koşullarında birçok mikroorganizma tarafından doğal olarak sentezlenen bir depolama türüdür. Fakat PHA'nın ticarileşmesi süreci hala devam ediyor ama yüksek üretim maliyeti sebebiyle oldukça sınırlı. PHA üretimi için heterotrof bakterileri kullanmak, kültür ve karbon kaynağı gibi gereksinimlere sebep oluyor ve bu durum da üretim maliyetini oldukça etkiliyor.

İndirgenmiş haldeki karbondioksiti kullanabilecek fotosentetik sistemle donatılmış olan siyanobakteriler, birçok endüstriyel önemli ürünün sürdürülebilir şekilde üretilebilmesi için ideal biyosentetik makinelerdir. Bu ürünlerden biri de PHA'dır. Atmosferik karbondioksitin biyopolimere evrilmesi sayesinde, siyanobakteriler dışarıdan sağlanması gereken maliyetli karbon kaynağının gereksinimini ortadan kaldırırken, karbon nötr bir biyoplastik üretim işlemi gerçekleştirirler. Bitkiler ve diğer fotosentetik mikroorganizmaları kullanarak PHA üretiminde şu anda karşılaşılan darboğaz üretimi ekonomik olarak uygulanabilir seviyede gerçekleştirebilmektir. Özellikle verimlilik ve maliyet zorluklarını çözebilmek amacıyla RIKEN Sentetik Genomik araştırma ekibi Universiti Sains Malaysia ortaklığında siyanobakterileri genetik mühendislik yoluyla değiştirmeyi denediler.

Fotosentez yapan ve heterotrof bakterilerde PHA sentez yolu

Genetiği değiştirilmiş bir siyanobakteri türü olan Synechocystis sp. strain 6803, hücre kuru ağırlığının %14'üne kadar PHA sentezlemeyi başardı. Şimdiye kadar herhangi bir karbon kaynağı sağlamadan elde edilmiş en yüksek fototrofik PHA üretim seviyesiydi. %0.4'lük seviyede asetat karbon kaynağının eklenmisiyle bu oran %41 seviyesine ulaştı. Siyanobakterilerin basit besin gereksinimleri olmasına rağmen, dışardan karbon kaynağı sağlanmasının PHA üretimini neredeyse üç kata çıkardığı görüldü. Her halukarda, sağlanan karbon kaynağı heterotrof bakterilerin aynı miktarda üretim için gereksinimlerinden çok daha az seviyedeydi. Bu değiştirilmiş türde, karbonun PHA biyosentez yolizine aktarılması Streptomyces sp. C190 türünden alınan asetoasetil coA sentaz enzimi tarafından gerçekleşti. Buna ek olarak yüksek oranda aktif olan PHA polimerleştirme enzimi PHA sentaz da Chromobacterium sp. türünden alınarak türün veriminin arttırılması için eklendi.

Geliştirilmiş fototrofik PHA üretimini daha iyi anlamak amacıyla genetiği değiştirilmiş olan tür değiştirilmemiş olan ile karşılaştırıldı. Bunun sonucunda, sürpriz bir şekilde PHA sentezinden sorumlu enzim aktivitelerinin PHA'nın yüksek üretiminden kritik bir şekilde sorumlu olmadığı görüldü.

Genetiği değiştirilmiş siyanobakterilerde PHA birikimini gösteren mikroskop resmi

Bir diğer taraftan, fotosentezden sorumlu bazı proteinlerin genlerinin fonksiyonlarının PHA'yı yüksek oranda üreten türde, kontrol türe göre daha fazla çalıştığı tespit edildi. Bu çalışmanın sonucunda, ürün oluşumu için siyanobakteri hücrelerinin fotosentezi arttırabildiği görüldü. PHA oluşumu sırasında, siyanobakteri hücrelerindeki karbon havuzu sürekli olarak sentez için kullanılmaktadır. Yüksek üretim ihtiyacıyla başa çıkabilmek için de, PHA sentezi sırasında kaybedilen karbonu telafi etmek amacıyla hücreler karbon üretimini arttırıyorlar. Bu süreçte de amino asit biyosentezi gibi PHA üretimi dışındaki hücresel işlemler için üretilen karbonun akışı sınırlıdır. Çalışmanın sonuçlarına göre, gelecekteki çalışmalar, siyanobakteriyi çeşitli kimyasalar, biyoyakıtların üretimine yöneltmek adına genetik olarak değiştirmek yönünde yapılabilir ve bu benzer yaklaşımlar bitkilere de uygulanabilir. Bu tarz sadece solar enerjiyi kullanarak biyopolimer üretimi için yeni yolların geliştirilmesiyle, petrol bazlıdan biyobazlı üretim prosesine geçme yolunda alternatif bir platform yaratılabilir.

Kaynak:
1) Lau, N.S, Foong, C.P., Kunihara, Y., Sudesh, K. & Matsui, M. RNA-Seq analysis provides insights for understanding photoautotrophic polyhydroxyalkonoate production in Synechocystis sp. PLoS One. 2014 Jan 22; 9(1): e86368. doi: 10.1371/journal.pone.0086368 (2014)


1 yorum :