Выделен сверхэффективный штамм бактерии для производства экологичного пластика и белка

Человечество сталкивается с двумя важными проблемами - нехваткой белка и накоплением пластиковых отходов. В настоящее время сельское хозяйство покрывает лишь 40 процентов мировой потребности в белке. А пластик, разлагающийся десятилетиями, продолжает накапливаться в океанах и почвах.

На первый взгляд, эти проблемы не связаны между собой. Однако их можно решить одновременно с помощью микробиологического синтеза. Некоторые бактерии, потребляя углерод, способны производить как белок, так и биоразлагаемые полимеры.

Но у этого подхода есть серьёзные ограничения. Во-первых, промышленное производство упирается в дороговизну сырья - затраты на углеродный субстрат (чаще всего сахара или масла) составляют 45 - 50 процентов всех расходов. Во-вторых, подходящими метаболическими свойствами обладает далеко не каждая бактерия.

Ученые Красноярского научного центра и Сибирского федерального университета выделили новый штамм бактерии Cupriavidus necator B-15081, способный эффективно расщеплять жиры. Специалисты впервые показали, что он 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 растёт 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 накаливали 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.

Чтобы оценить перспективность нового штамма C. necator B-15081, исследователи сравнили полученные результаты с данными для других штаммов, выращенных на тех же типах отработанного растительного масла. Оказалось, что новый штамм значительно превосходит предшественника по всем ключевым показателям.

Бактерии утилизировали более 80 процентов предложенного им отработанного жира в качестве нового биотехнологического субстрата. Это позволяет экономить сырьё и качественно перерабатывать отходы.

Результаты показали, что новый штамм C. necator B-15081 перспективен для производства актуальных и востребованных продуктов - биоразлагаемого пластика и биопротеина. А исследованные жировые отходы рыбопереработки могут стать крупномасштабным и возобновляемым ресурсом для производства целевых продуктов.

«Мы получили стабильную культуру нового штамма Cupriavidus necator B-15081. Микроорганизмы накапливают внутри клеток до 83 процентов ценного биопластика. Это очень высокий показатель выхода готового продукта. Синтезированный бактериями белок можно использовать в кормах сельскохозяйственных животных и аквакультуры вместо дефицитных соевых шротов или мясокостной муки. Производство такого белка актуально в связи с ростом населения планеты. Оно позволяет получать белок, не расширяя пашни и не тратя огромное количество воды, как это происходит в традиционном сельском хозяйстве. Важно, что в качестве питания для бактерий используются отходы. Это способ снижения затрат на сырьё, а также решения экологических проблем, связанных с сокращением отходов и переходом к циклической экономике", - рассказала руководитель работы, заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН, доктор биологических наук, профессор Татьяна Волова.

К слову, отходы, например, в производстве шпротов из килечных видов рыб содержат коптильные компоненты, поэтому не используются в традиционных технологиях получения рыбной муки и вывозятся на свалки для захоронения или утилизации, что сопровождается значительными затратами.

При этом экономические коэффициенты переработки такого сырья оказались в 1,5 - 2 раза выше, чем при кормлении бактерий обычными сахарами. То есть жир из отходов рыбопереработки гораздо выгоднее для биотехнологического производства биопластика.

"Такой подход убивает двух зайцев: решает экологическую проблему утилизации отходов и даёт дешёвое сырьё для биотехнологий. В дальнейшем мы планируем получить более быстрорастущую культуру этого штамма, чтобы еще больше повысить экономическую эффективность», -.добавилаТатьяна Волова.