Istnieje rodzaj bakterii, które potrafią zbudować sobie metalowy kombinezon z toksycznego kobaltu; otrzymał przydomek Iron-Man. Inny może przekształcić odpady z tworzyw sztucznych w biodegradowalne polimery, zasadniczo tworząc alternatywę dla plastiku z plastiku. Jeszcze inne mogą działać jak bio-baterie, emitując energię elektryczną przez włókna podczas oddychania.

Czy w obliczu kryzysu klimatycznego i nasilających się niedoborów zasobów te i inne nowo odkryte supermocarstwa mogą pomóc nam posprzątać nasz bałagan?

Bakterie utrzymują dom od czasów, gdy Ziemia była jeszcze pokryta lawą, miliardy lat temu. Przetwarzali szkodliwe gazy, aby uczynić planetę zdatną do zamieszkania.

Nie są to jednak żadne magiczne lekarstwa. „Praca z bakteriami wymaga czasu i cierpliwości, zwłaszcza że niektóre toksyczne chemikalia mogą wpływać na wzrost bakterii i upośledzać ich funkcjonowanie” — mówi Mukesh Doble, badacz wykorzystania bakterii i emerytowany profesor biotechnologii w Indyjskim Instytucie Technologii w Madrasie (IIT-M ).

Ale „mikroby mają do odegrania ogromną rolę w walce ze zmianami klimatycznymi” — mówi Steven Allison, profesor ekologii i biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine.

Na przykład od 2018 roku producent chemikaliów LanzaTech prowadzi zakład produkcyjny, który wykorzystuje bakterie pochodzące z odchodów królika do przekształcania gazów odlotowych z hut (mieszanka tlenku węgla, dwutlenku węgla i wodoru) w etanol do stosowania w samochodach. Docelowo celem jest wykorzystanie go w samolotach.

Virgin Atlantic Richarda Bransona współpracuje z LanzaTech od 2011 roku, zgodnie z postem Bransona z 2016 roku, w celu produkcji paliwa do silników odrzutowych z takich gazów.

„Firmy takie jak LanzaTech, Loam i Pivot Bio opracowują produkty napędzane mikrobami jako komercyjne rozwiązania zmniejszające ślad węglowy” — mówi Nguyen K Nguyen, dyrektor Amerykańskiej Akademii Mikrobiologii.

Dzisiejsze badania nad bakteriami przypominają nam, aby być kreatywnym i nie ograniczać się w postrzeganiu możliwości, mówi Gemma Reguera, profesor mikrobiologii i genetyki molekularnej na Michigan State University.

Reguera była częścią zespołu, który odkrył właściwości Iron-Mana Geobacter w 2020 roku. „Badania to wolność eksploracji, wyszukiwania, wyszukiwania i wyszukiwania” – mówi. „Mamy podręcznikowe opinie na temat tego, co mikroby mogą i powinny robić, ale życie jest tak różnorodne i kolorowe. Istnieją inne procesy, które czekają na odkrycie”.

Niektórzy już to zrobili. Spójrz.

Ubieranie się

Bakteria „Iron-Man” została nazwana ze względu na swoją zdolność przetrwania narażenia na toksyczny kobalt, zasadniczo budując dla siebie metalowy kombinezon z tego pierwiastka. To umiejętność odkryta przez naukowców z Michigan State University w 2020 roku.

Kobalt jest cennym, ale coraz bardziej deficytowym metalem stosowanym w akumulatorach do pojazdów elektrycznych i stopach do statków kosmicznych. Jest wysoce toksyczny dla żywych istot, w tym ludzi i bakterii.

Zespół badawczy w swoim badaniu szczegółowo opisuje, w jaki sposób Geobacter sulfurreducens zasadniczo wydobywa kobalt z minerałów i tlenków metali w swoim środowisku i owija się w kobalt, aby metal nie penetrował jego komórek i nie zatruwał ich. Nawet wysoki poziom ekspozycji na kobalt nie spowodował wgniecenia w skafandrze. Obrazy mikroskopowe pokazały drobnoustroje otulone metalem i kwitnące, mówi Gemma Reguera, która była częścią zespołu badawczego.

Ta zdolność oznacza, że ​​bakterie mogłyby zostać wykorzystane do ekstrakcji kobaltu ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych, do ponownego użycia lub przynajmniej w bardziej zrównoważonej formie utylizacji e-odpadów. Naukowcy planują teraz sprawdzić, czy Geobacter może absorbować inne toksyczne metale, w szczególności kadm, który jest również powszechny w e-odpadach.

„Lekcja jest taka, że ​​naprawdę musimy myśleć nieszablonowo, zwłaszcza w biologii” – mówi Reguera. „Znamy tylko wierzchołek góry lodowej. Mikroby są na ziemi od miliardów lat i myśl, że nie mogą czegoś zrobić, wyklucza nas z tak wielu pomysłów i zastosowań.

Życie w plastiku

W wyścigu mającym na celu znalezienie bakterii, która może szybko i skutecznie konsumować plastik, Rhodococcus ruber okazał się liderem. Pojawił się na taśmie w styczniu, kiedy badanie wykazało, że może jeść i trawić plastik, a nie tylko go degradować, jak wykazano, że robią to inne bakterie.

Naukowcy z Królewskiego Holenderskiego Instytutu Badań Morza zidentyfikowali również enzymy odpowiedzialne za tę zdolność, co może doprowadzić do opracowania nowych technologii biodegradacji.

Ich badanie sugeruje, że Rhodococcus ruber może rozłożyć około 1% plastiku podawanego rocznie na dwutlenek węgla i inne nietoksyczne substancje. „Z pewnością nie jest to rozwiązanie problemu plastikowej zupy w naszych oceanach” – podkreślili naukowcy w oświadczeniu. Eksperymenty są głównie dowodem zasady, „jednym kawałkiem układanki”.

W międzyczasie naukowcy z Northwestern University zidentyfikowali gatunek o zróżnicowanym zakresie szlaków metabolicznych, który pozwala mu konsumować pewne związki zawarte w plastiku i przekształcać je w biodegradowalne polimery.

Badanie opublikowane w lutym w Nature Chemical Biology wykazało, że Comamonas testosteroni może rozkładać niektóre związki uwalniane z rozkładu politereftalanu etylenu, który jest szeroko stosowany w jednorazowych pojemnikach na żywność i materiałach opakowaniowych.

Istnieje potrzeba dalszych badań nad tym, jak można wykorzystać polimery wytwarzane przez bakterie. „Ale te polimery mogą być używane jako prekursory tworzyw sztucznych, więc zasadniczo można potencjalnie wykorzystać tworzywa sztuczne do produkcji nowych tworzyw sztucznych” – mówi Ludmilla Aristilde, profesor nadzwyczajny inżynierii lądowej i środowiskowej w McCormick School of Engineering w Northwestern oraz główny autor badania .

Odkrywcy Arktyki

Od jakiegoś czasu wiemy, że wraz ze wzrostem temperatur na świecie topnienie wiecznej zmarzliny Arktyki uwalnia do atmosfery alarmujące ilości metanu – gazu cieplarnianego o 25% silniejszego niż dwutlenek węgla. W badaniu opublikowanym w marcu 2020 r. odkryto rodzaj bakterii utleniających metan, żyjących w wyżynnych glebach arktycznych, które mogą być w stanie zrównoważyć niektóre z tych emisji.

Badanie przeprowadzone przez naukowców z Purdue University sugeruje, że emisje netto gazów cieplarnianych z Arktyki mogą być znacznie niższe niż wcześniej szacowano, ze względu na zwiększoną produktywność rodzaju bakterii znanych jako metanotrofy o wysokim powinowactwie lub HAM.

Według badania opublikowanego w czasopiśmie Nature w 2018 r. bakterie metanotroficzne zużywają średnio od 25 do 130 milionów ton metrycznych metanu i urzekły naukowców swoją naturalną zdolnością do utleniania silnego gazu cieplarnianego i przekształcania go w zielony, zrównoważone paliwo metanol.

Przez lata niewiele było wiadomo o tym, jak zachodzi ta złożona reakcja. Teraz odkrycia z Northwestern University, opublikowane w marcu 2022 r. w czasopiśmie Science, rzucają światło na enzym, którego bakterie używają do katalizowania reakcji.

Obecne procesy przemysłowe katalizujące reakcję metanu do metanolu wymagają ogromnego ciśnienia i ekstremalnych temperatur przekraczających 1300 stopni Celsjusza. Metanotrofy przeprowadzają reakcję w temperaturze pokojowej i za darmo, zauważono w tym badaniu. Czy po odszyfrowaniu procesu ludzie będą w stanie go odtworzyć?

„Metan ma bardzo silne wiązanie, więc to dość niezwykłe, że istnieje enzym, który może to zrobić” – powiedziała w oświadczeniu Amy Rosenzweig, profesor biologii molekularnej w Northwestern i starszy autor artykułu.

Środek oleisty

Powszechnie występująca w glebie bakteria w kształcie pałeczki zadziwia naukowców swoim apetytem na węglowodory.

„Bacillus subtilis, która jest dobrą bakterią stosowaną jako probiotyk w celu poprawy zdrowia jelit, może wytwarzać enzymy, które rozkładają złożone węglowodory w oleju na prostsze związki – zasadniczo mniejsze bąbelki – ułatwiając innym mikroorganizmom żerowanie na oleje”, mówi Mukesh Doble, badacz wykorzystujący bakterie i emerytowany profesor biotechnologii w Indyjskim Instytucie Technologii w Madrasie (IIT-M).

Bacillus subtilis może potencjalnie pomóc w oczyszczeniu zanieczyszczonego oleju; rozkładać odpady przemysłowe; nawet usuwać plamy oleju. Badanie przeprowadzone w IIT-M, opublikowane w czasopiśmie Energy Sources Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects w 2016 r., wykazało, że Bacillus subtilis zdołał zdegradować próbki ropy naftowej nawet o 80% w ciągu 10 dni, co jest procesem, który zwykle zajmuje grupie bakterii tygodnie lub miesiące.

„Piękno polega na tym, że nie trzeba genetycznie modyfikować tej bakterii” – mówi Doble. Aby pomóc mu uzyskać przewagę, wszystko, czego potrzebuje, to trochę glukozy jako źródła składników odżywczych, po czym powoli się przystosuje i będzie szukać źródeł węgla z własnej woli; w ropie, to poszukiwanie prowadzi do rozkładu węglowodorów”.

Jednym z ograniczeń jest to, że nie radzi sobie dobrze z zanieczyszczeniem innymi mikroorganizmami, w tym niechcianymi szczepami Bacillus subtilis. Środki kontroli zanieczyszczeń będą miały kluczowe znaczenie dla ewentualnego wykorzystania tej bakterii w procesach przemysłowych. Kolejną rzeczą, na którą należy uważać, byłyby mutacje w czasie, które mogą wpływać na skuteczność i wydajność, mówi Doble.

Pożeracz węgla

Być może najczystszym sposobem szybkiego usuwania dwutlenku węgla z powietrza jest podawanie go sinicom, sugeruje badanie opublikowane w Renewable and Sustainable Energy Reviews w 2022 roku. Ta bakteria działa szybko i nie wytwarza toksycznych ścieków w procesie. Zamiast tego przekształca dwutlenek węgla w tlen i składniki biologiczne, które można wykorzystać do produkcji biopaliw i surowców.

Inne badanie opublikowane w Environmental Science & Technology w 2018 r. szacuje, że na całym świecie cyjanobakterie i inny fitoplankton już prawdopodobnie sekwestrują do 1,5 miliarda ton węgla rocznie w drodze fotosyntezy w oceanach.

Wyzwaniem związanym z wykorzystaniem cyjanobakterii do zastosowań przemysłowych na dużą skalę jest opracowanie opłacalnych i skalowalnych technologii hodowli. Ponadto naukowcy twierdzą, że różne szczepy różnią się tempem wzrostu, produkcją biomasy i zdolnościami do wytwarzania pożądanych związków, co sprawia, że ​​spójne wyniki stanowią wyzwanie.

Bakterie nie mogą czynić cudów, ale jesteśmy w punkcie, w którym liczy się każdy bit.