Превращение сточных вод в ценные белки с помощью генетически модифицированных дрожжей

Растущее население мира создает большую нагрузку на окружающую среду. Сельское хозяйство занимает обширные земли и сбрасывает питательные вещества. Одновременно на водную среду оказывается огромное давление из-за промышленных производств, сбрасывающих сточные воды. Все это связано с высоким энергопотреблением и воздействием на климат.

Исследователи из DTU совершили прорыв, используя дрожжевые клетки Debaryomyces hansenii (D. hansenii). Они показали, что можно использовать проблемные промышленные отходы для производства белков с очень низкой себестоимостью и энергопотреблением. Это может перенести производство пищи с полей в стальные резервуары, избавить окружающую среду от сточных вод и снизить влияние CO₂ на климат.

Солеустойчивые дрожжи

Доцент Хосе Мартинес много лет исследовал дрожжи, адаптированные к экстремальным условиям, таким как высокая соленость. D. hansenii процветает в воде, в шесть раз более соленой, чем обычная морская. Это натолкнуло на идею.

"Есть предприятия, у которых есть потоки отходов, богатые питательными веществами, но с очень высоким содержанием соли. Соленость препятствует использованию питательных веществ и сбросу отходов как обычных сточных вод, что требует дорогой специальной обработки. Почему бы не попробовать выращивать этот тип дрожжей в этих соленых отходах?" — задался вопросом Мартинес.

Сахар и азот

Исследовательская группа связалась с Arla Foods и протестировала D. hansenii на очень соленом остатке от производства сыра, богатом сахаром лактозой. Эксперимент превзошел ожидания. Дрожжи легко метаболизировали сахара, и чем выше была соленость, тем эффективнее был рост. Однако росту мешал недостаток азота.

Специалист Novo Nordisk Мануэль Кирóс, также изучавший D. hansenii, предложил смешать этот отход с соленым остатком от производства лекарств для гемофиликов, богатым азотом. Идея быстро переросла в эксперимент.

"Мы просто смешали два солевых потока отходов — с высоким содержанием лактозы и с высоким содержанием азота. Мы использовали их как есть. Нам не нужно было добавлять пресную воду или стерилизовать ферментер, потому что соль предотвращала рост других микроорганизмов. Это было "подключи и работай", — говорит доцент.

D. hansenii процветала в этой соленой смеси. Но чтобы это представляло коммерческий интерес, дрожжи должны были производить нужный продукт. С помощью технологии CRISPR команда Мартинеса модифицировала D. hansenii для производства белка в процессе роста.

Новый образ мышления

Технология CRISPR позволяет модифицировать дрожжевую клетку для производства различных белков и веществ. Изначально они создали флуоресцентный белок в качестве модельного вещества, чтобы легко отслеживать производство по интенсивности свечения жидкости.

Исследователи протестировали несколько смесей отходов от Arla Foods и Novo Nordisk. Оптимальная смесь имела соленость примерно в два раза выше, чем у морской воды, и содержание сахара около 12 граммов на литр.

Исследования D. hansenii ведутся десятилетиями, но ранее фокус был на поиске гена солеустойчивости для переноса в растения. Это оказалось крайне сложно, так как толерантность связана с несколькими взаимодействующими генами.

Мартинес и его коллеги пошли другим путем: они использовали сами дрожжевые клетки и их солеустойчивые свойства, а затем модифицировали их для производства нужных нам веществ. Хотя это звучит просто, для достижения прорыва потребовалось два года интенсивных исследований.

Коммерческие продукты

Технология CRISPR открывает двери для широкого спектра продуктов на основе D. hansenii и промышленных отходов. Мартинес видит большие возможности в заменителях молока, искусственном мясе, белковых пигментах и ферментах. Также можно использовать саму дрожжевую биомассу в кормах для животных или для ускоренного созревания мяса.

Возможности видятся не только в пищевой сфере. Мартинес участвует в исследовательском партнерстве по разработке устойчивого топлива. Планируется модифицировать D. hansenii для производства липидов (жиров), которые можно легко преобразовать в зеленое топливо.

Устойчивость исследований важна для участия Novo Nordisk в проекте.

"Novo Nordisk хочет взять на себя полную ответственность за всю нашу цепочку создания стоимости. Наша стратегия называется Circular for Zero. У нас три направления: сокращение использования ресурсов, сокращение выбросов CO₂ и минимизация потоков отходов", — объясняет Кирóс.

Масштабирование

Несмотря на многообещающие результаты, до коммерческого использования еще далеко. Пока исследователи DTU работали только в лабораторном масштабе с 1–5 литрами смесей.

Следующий этап масштабирования — 10–30 литров. Уже здесь Мартинес предсказывает проблемы с эффективной подачей кислорода во весь объем жидкости. Переход к нескольким тысячам литров для коммерческого производства создаст другие неизвестные проблемы. Вероятно, пройдет не менее 10 лет, прежде чем появятся полномасштабные резервуары с D. hansenii.

Но исследователь DTU абсолютно уверен, что этот научный прорыв является важным шагом в зеленом переходе.