Jednokomórkowi niewolnicy i produkcja benzyny

Nasz gatunek może poszczycić się długą tradycją wykorzystywania organizmów żywych dla własnych potrzeb – od kukurydzy i tytoniu, przez konie i trzodę chlewną, aż po „zatrudniane” do polowań sokoły. Nie jesteśmy w tym oczywiście odosobnieni; cała biosfera to nic innego, jak gęsta sieć milionów gatunków, które od setek milionów lat zajmują się współpracą i konkurencją, oszustwami i podkradaniem pokarmu, subtelną symbiozą oraz brutalnym niewolnictwem. Za sprawą biotechnologii nasze możliwości osiągają jednak zupełnie nowy poziom. Omawiana publikacja z Nature przekonuje, że w naszym zasięgu jest nawet zmuszanie bakterii do produkcji benzyny.

Każda żywa komórka na tej planecie jest mikroskopijnym kombinatem chemicznym zdolnym do produkowania szerokiego wachlarza związków; nie jest jednak wszechmocna. Żeby zrozumieć niesamowitą pracę wykonaną przez autorów cytowanego artykułu, trzeba pamiętać o kilku podstawowych faktach.

Enzymy w działaniu

Po pierwsze, synteza chemiczna następuje krok po kroku, na drodze drobnych modyfikacji dostępnych komórce związków. Często polegają one po prostu na „doklejeniu” lub „odcięciu” określonej grupy atomów, np. grupy hydroksylowej (–OH), karbonylowej (>C=O) czy metylowej (–CH₃). Dopiero po kilku, kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu tego typu reakcjach powstaje „pożądany” związek chemiczny.

Po drugie, przemiany te dokonują się dzięki obecności enzymów – cząsteczek białka dokonujących ściśle określonej „operacji” na ściśle określonym związku chemicznym. Z perspektywy drobnego związku chemicznego enzym jest sporą, żelowatą kulką, której praca jest w zasadzie mechaniczna. W pewnym miejscu na jego powierzchni znajduje się „zatoczka” dopasowana kształtem oraz ładunkiem powierzchniowym do cząsteczki danego związku chemicznego. Gdy molekuła takiego związku trafia w odpowiednie miejsce („miejsce aktywne enzymu”), cząsteczka enzymu nieznacznie zmienia swój kształt, co powoduje najczęściej pojawienie niewielkiej zmiany w geometrii lub rozkładzie ładunku „operowanej” właśnie cząstki. Uprawdopodobnia to zajście reakcji danego typu. Samoczynne (czyli bez obecności enzymu) zajście tej reakcji nie jest zwykle niemożliwe, lecz tylko tak mało prawdopodobne, że organizm nie mógłby opierać na niej swojego metabolizmu. Ponadto, tempo zachodzenia każdej reakcji może być w prosty sposób kontrolowane przez komórkę poprzez zmianę stężenia odpowiedniego enzymu. Krótko mówiąc, komórki całkowicie „polegają” na enzymach. W praktyce oznacza to, że brak odpowiedniego enzymu oznacza niezachodzenie katalizowanej przez niego reakcji oraz odwrotnie – wprowadzenie go do komórki prowadzi do zachodzenia tejże reakcji.

Nazwy enzymów nawiązują często do wykonywanej przez nie „operacji” (np. metylotransferaza to enzym dokonujący „transferu” grupy metylowej; reduktaza dokonuje redukcji itd.) oraz do nazwy cząsteczki, na której „operacja” ta zachodzi – np. oksydaza glukozowa, czyli enzym dokonujący utlenienia (oksydacji) – glukozy. Konkretna „wersja” enzymu nosi też często kilkuliterową nazwę identyfikującą, która pochodzi od skrótowej nazwy genu kodującego sekwencję tegoż enzymu. Stąd pochodzą pełne, być może mało sympatycznie brzmiące nazwy, np. „dekarbonylaza aldehydowa CER1”, czyli enzym usuwający („de-”) grupę karbonylową (>C=O) z cząsteczek aldehydów, kodowany przez gen CER1.

Jak odróżnić mleko od paliwa

Ostatnia rzecz, o której warto wiedzieć, to niezwykłe podobieństwo – w skali atomowej – związków chemicznych tworzących na pozór kompletnie odmienne substancje. Benzyna, przykładowo, jest to mieszanina węglowodorów o krótkich łańcuchach, głównie liniowych alkanów, czyli bardzo prostych związków organicznych składających się z określonej liczby (n) ułożonych liniowo atomów węgla okolonych wianuszkiem atomów wodoru. Do alkanów należą propan (n=3) i butan (n=4) – gaz LPG to „liquid propane gas”, czyli „upłynniony propan” – a benzyna „wysokooktanowa” to taka zawierająca dużo oktanu (n=8). Zupełnie na pozór inna substancja – tłuszcz – składa się natomiast z kwasów tłuszczowych, różniących się od alkanów wyłącznie „końcówką” (co widać na ilustracji poniżej).

źródło: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dodecane-3D-balls-B.png oraz http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lauric-acid-3D-balls.png, obrazy udostępnione na licencji Creative Commons, zamieszczone z drobnymi modyfikacjami

Jednym z trudniejszych do „oswojenia” faktów chemii jest właśnie uderzające podobieństwo chemiczne związków, które w skali makroskopowej tworzą kompletnie odmienne substancje. Dodanie zaledwie dwóch atomów tlenu na „końcu” długiego wężyka zbudowanego z atomów węgla sprawia, że z rzadkiej, łatwopalnej, śmierdzącej cieczy, której właściwym miejscem jest zbiornik na paliwo samolotu naddźwiękowego, powstaje miły w smaku, oleisty związek występujący m. in. w orzechach kokosowych i stanowiący ok. 7% mleka karmiących matek. Ot, kolejna dziwna i fascynująca cecha naszego Kosmosu.

Biopaliwo 2.0?

Wróćmy jednak do „benzynowych bakterii”. Po powyższym wstępie można chyba spróbować się domyśleć, jakiego typu strategii można spodziewać się po biotechnologach, którzy zechcą wyhodować bakterie zdolne do produkcji benzyny. Wystarczą trzy „proste” kroki.

1. Wybrać odpowiedni gatunek bakterii o dobrze poznanym metabolizmie. Dobrym wyborem jest Escherichia coli, czyli „chłopiec do bicia” biotechnologów, pełniący podobną rolę w mikrobiologii, jak muszka drozofila (Drosophila melanogaster) w zoologii czy opisywany tu ostatnio rzodkiewnik (Arabidopsis thaliana) w botanice. Są to tzw. organizmy modelowe, na których skupia się uwaga naukowców. (Zamiast poznawać po troszku miliony różnych gatunków, wiedza biologiczna w dużym stopniu rozwija się dzięki bardzo dogłębnemu poznawaniu kilku wybranych gatunków różnego rodzaju).

2. Znaleźć w naturalnym cyklu metabolicznym E. coli grupę powszechnie występujących związków chemicznych wystarczająco podobnych do alkanów. Po rzucie oka na powyższą ilustrację nie powinno nas chyba zdziwić, że wybrane zostały właśnie kwasy tłuszczowe.

3. Znaleźć i „uruchomić” grupę enzymów zdolnych do zamienienia kwasów tłuszczowych w alkany. Okazuje się, że najwygodniejsza z możliwych do realizacji „dróg” od kwasu tłuszczowego do alkanu prowadzi przez dwa inne związki pośrednie, co oznacza trzy kolejne reakcje chemiczne, a więc trzy enzymy. Tylko jeden z nich (enzym należący do grupy syntetaz, noszący urokliwą nazwę FadD) występuje naturalnie u E. coli, w dodatku w niewielkim stężeniu – wymagał więc „wzmocnienia”. Nic prostszego. Bakterie produkują białka (w tym i enzymy) w dużych „pakietach” (operonach); istnieją przy tym operony odczytywane intensywnie oraz takie, z których bakteria nie korzysta zbyt często. Gen kodujący opisywany enzym „podpięto” więc pod inny, intensywniej odczytywany operon i… bingo!

Z dwóch pozostałych enzymów jeden (reduktaza Acr) występuje w organizmie innej bakterii (Clostridium acetobutylicum), a drugi (dekarbonylaza CER1) w organizmie… wspomnianego przed chwilą rzodkiewnika. Geny te wyizolowano więc z rzeczonych organizmów i „wklejono” w odpowiednio wybrane miejsca genomu E. coli (jeden z nich po sąsiedzku z FadD). Po tej operacji uzyskany organizm transgeniczny otrzymał swoją nazwę (GAS3) i stał się produktem. (Kwestia uzyskiwania praw autorskich do szczepów bakterii należy do wciąż nierozwiązanych i bardzo trudnych zagadnień prawnych żywo dyskutowanych na całym świecie).

Aby usprawnić procedurę, dokonano również „wyciszenia” innego enzymu działającego na kwasy tłuszczowe, który mógłby „uszczuplać” ich zasób i powodować tym samym mniejszą produkcję alkanów. Ostatnim krokiem było dobranie odpowiedniej temperatury – okazało się, że bakterie najsprawniej przeprowadzają opisane wyżej reakcje w temperaturze 30° C.

I tyle. Zmodyfikowany w ten sposób organizm produkował „benzynę”, której głównym składnikiem był nonan (n=9), potem dodekan (n=12) i tridekan (n=13) – a więc całkiem rozsądna mieszanina składników palnych. Autorzy pracy nie podzielili się z czytelnikami informacją na temat tego, jak wydobyć alkany z „ciał” bakterii oraz czy udało się spalać tak uzyskaną benzynę. Na kolejne kroki na drodze do „bakteryjnej benzyny” trzeba będzie jeszcze poczekać.

Opisane tu badania i ich potencjalne zastosowanie w przemyśle chemicznym to bardzo odważne rozwinięcie szerszej tendencji: aby „czynić sobie ziemię poddaną” poprzez czysto przedmiotowe traktowanie organizmów żywych. Możliwości techniczne, które osiągnęliśmy w ostatnich kilkudziesięciu latach otwierają zupełnie nowe perspektywy rozwijania tej strategii, jak choćby oświetlanie ulic miejskich przez drzewa, którym przeszczepiono gen pochodzący od świetlików – jedną „partię” takich drzew testowano jakiś czas temu w Hiszpanii. Innym kierunkiem rozwoju jest tzw. BioArt, czyli modyfikowanie genetyczne organizmów w celach artystycznych, jak choćby The Cactus Project autorstwa Laury Cinti – kaktus, na którym dzięki cudom genetyki rosną ludzkie włosy. Czemu nie?

Łukasz Lamża

* Y.J. Choi i S.Y. Lee: Microbial production of short-chain alkanes, Nature 24.10.2013, 571-574