Χάμπουργκερ ή σέικ πρωτεΐνης παρασκευασμένα από διοξείδιο του άνθρακα (CO 2); Ναι, δεν αποκλείεται κάτι τέτοιο να γίνει πραγματικότητα στο μέλλον και αυτό εξαρτάται από τον μικροβιολόγο Nico Claassens. Η ομάδα του εργάζεται για την ανάπτυξη βακτηρίων που μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα σε θρεπτικά συστατικά, όπως η ζάχαρη. «Η επέμβαση είναι συγκρίσιμη με την αντικατάσταση της καρδιάς ενός κουνουπιού με εκείνη ενός ελέφαντα», λέει ο ίδιος.
Η ιδέα της αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα στη βιομάζα δεν είναι νέα. Πριν από περίπου τρία δισεκατομμύρια χρόνια, τα κυανοβακτήρια (ή τα γαλαζοπράσινα φύκια) ήταν πολύ πιο μπροστά από εμάς στη χρήση του αερίου ως πηγής άνθρακα, με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός και γεννήθηκε η φωτοσύνθεση. Ένας συγγενής των κυανοβακτηρίων αργότερα μπήκε στα φυτικά κύτταρα, όπου, ως χλωροφύλλη, κάνει την ίδια δουλειά. Στο ηφαιστειακό βυθό του ωκεανού, τα προϊστορικά βακτήρια το κάνουν επίσης, όχι με το ηλιακό φως, αλλά με ενέργεια από το υδρογόνο, για παράδειγμα.
Αυτό που είναι νέο εδώ, είναι ότι ο επίκουρος καθηγητής Μικροβιολογίας, Nico Claassens και η ομάδα του θέλουν να επιχειρήσουν να ξεπεράσουν τη φύση. Δημιουργούν ένα ταχύτερο και πιο αποτελεσματικό υποκατάστατο του κύκλου Calvin, της βασικής αλυσίδας αντίδρασης για τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα. Ο κύκλος Calvin μετατρέπει το διοξείδιο του άνθρακα σε σάκχαρα και αμινοξέα, για παράδειγμα. Είναι η πιο κοινή οδός δέσμευσης άνθρακα στα βακτήρια και τα φυτά, αλλά είναι αργή και αναποτελεσματική. Το κύριο ένζυμο στον κύκλο, το Rubisco, «εφευρέθηκε» όταν δεν υπήρχε σχεδόν καθόλου οξυγόνο στη Γη. Τώρα ο αέρας αποτελείται από περίπου 21% οξυγόνο και αυτό προκαλεί πρόβλημα στο ένζυμο. Δεσμεύει όχι μόνο το διοξείδιο του άνθρακα, αλλά και το οξυγόνο, χάνοντας μέρος του δεσμευμένου διοξειδίου του άνθρακα στην πορεία.
Ο Claassens και οι συνάδελφοί του αναζητούν, επομένως, μια εναλλακτική. Χρησιμοποιούν τα υπάρχοντα ένζυμα, τα οποία θεωρητικά μπορούν να σχηματίσουν έναν καλύτερο κύκλο μεταξύ τους. «Στη φύση, υπάρχουν περίπου 5.000 αντιδράσεις, ένζυμα και επιλέγουμε μερικά από αυτά για το νέο κύκλο».
Εγχείρηση καρδιάς
Φέτος, η ομάδα του Claassens και η Sarah D’ Adamo (Bio Process Engineering) άρχισαν να δημιουργούν ένα συνθετικό κύκλο, ξεκινώντας με το βακτήριο Escherichia coli. «Έχουμε τα καλύτερα εργαλεία για αυτό το βακτήριο», εξηγεί ο Claassens. «Έχουμε πολλές αλλαγές να κάνουμε». Η επέμβαση είναι συγκρίσιμη με την «αντικατάσταση της καρδιάς ενός κουνουπιού με την καρδιά ενός ελέφαντα», συνεχίζει. «Είναι και οι δύο καρδιές, αλλά το σύστημα γύρω τους λειτουργεί με πολύ διαφορετικούς τρόπους. Το E.coli δεν έχει καν κύκλο Calvin και δεν αναπτύσσεται φυσικά με διοξείδιο του άνθρακα, αλλά έχει εντελώς διαφορετικό μεταβολισμό. Η καρδιά του E.coli είναι η γλυκολυτική διαδικασία, η οποία χρησιμοποιεί τα σάκχαρα ως θρεπτικά συστατικά και τα μετατρέπει μέσω αντιδράσεων σε όλες τις ουσίες που χρειάζεται το κύτταρο. Εκτός από την αντικατάσταση της καρδιάς, πρέπει να αλλάξετε και όλα τα σημεία σύνδεσης».
Ένας πλήρης κύκλος δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα περιλαμβάνει 10 έως 15 ένζυμα, αλλά οι ερευνητές τα δοκιμάζουν σε στάδια, χρησιμοποιώντας «ενότητες» τριών έως τεσσάρων ενζύμων κάθε φορά. Απενεργοποιούν τα ένζυμα που είναι εγγενή στο E.coli και τοποθετούν τη μονάδα σε αυτή για να γεμίσουν τα κενά. Στη συνέχεια παρακολουθούν για να δουν αν το βακτήριο αναπτύσσεται. Αυτό είναι που συναρπάζει τον Claassens σχετικά με την εργαστηριακή εργασία: «Η δημιουργικότητα του σχεδιασμού ενός μικρού κομματιού ζωής. Το να το χτίζεις λίγο λίγο, αυτό είναι φοβερό».
H έρευνα βασίζεται στην ιδέα της συνεχούς εξέλιξης. «Η ενότητα που εισάγουμε δεν είναι τέλεια και μπορεί να μην λειτουργεί καλά. Μερικές φορές χρειαζόμαστε την εξέλιξη των βακτηρίων στο πείραμά μας προκειμένου να καταλήξουμε σε αποτελεσματικά λειτουργικά στοιχεία. Δεν θα καταφέρουν όλα τα βακτήρια να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν μετά τη “μεταμόσχευση καρδιάς”, αλλά ένας μικρός αριθμός μεταλλαγμένων πιθανότατα θα τα καταφέρει. Πολλαπλασιάζονται και τελικά κυριαρχούν. Αυτή είναι η εξέλιξη στην πράξη».
Βρώσιμο CO 2
Ο Claassens ελπίζει να έχει ένα συνθετικό κύκλο εργασίας στο E.coli σε δύο έως τρία χρόνια. Υπάρχουν πολλά υποσχόμενες εφαρμογές για αυτό. Μπορούμε να χρησιμοποιούμε το διοξείδιο του άνθρακα από τη βακτηριακή βιομάζα για να παράγουμε πράσινο καύσιμο ή πρωτεΐνες και άλλα θρεπτικά συστατικά. Αυτό θα μπορούσε να γίνει ακόμη και ανεξάρτητα από τη γεωργία, εάν τροφοδοτήσουμε τα βακτήρια με μια χημική πηγή ενέργειας, όπως το υδρογόνο από την ηλεκτρική ενέργεια.
Το Δεκέμβριο, ο Claassens κέρδισε μια επιχορήγηση από το Ταμείο Καινοτομίας για την πρωτεϊνική μετάβαση με το έργο Microbes4Food, σε συνεργασία με τη Julia Keppler (Μηχανική Τροφίμων Διαδικασιών) και τη Laurice Pouvreau (Wageningen Food & Biobased Research). Ο Claassens αναπαράγει τα βακτήρια και οι Keppler και Pouvreau μελετούν τα χαρακτηριστικά των πρωτεϊνών από αυτά.
Οι τεχνικές για την αναβάθμιση είναι έτοιμες. Στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, η Σοβιετική Ένωση χρησιμοποίησε ιδιαίτερα μικροοργανισμούς (ζυμομύκητες στην περίπτωση αυτή) για την παραγωγή ιχθυοτροφών από πετρέλαιο σε μεγάλη κλίμακα. Ενώ η οικονομία ήταν ο κύριος μοχλός τότε – το πετρέλαιο ήταν φθηνό – υπάρχει ανανεωμένο ενδιαφέρον τώρα για λόγους βιωσιμότητας, με το υδρογόνο ως πηγή ενέργειας. Αρκετές εταιρείες, όπως η φινλανδική SolarFoods, εκτρέφουν ήδη βακτήρια σε μεγάλους αντιδραστήρες με σκοπό τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε τροφή. Ο Claassens είναι ένα βήμα μπροστά από τις υπάρχουσες εταιρείες, καθώς η ομάδα του επιδιώκει να βελτιώσει τα χαρακτηριστικά των βακτηρίων ως τροφή κάνοντας εκτεταμένες γενετικές προσαρμογές.
Είναι, όμως, η φύση πιο έξυπνη;
Η δουλειά του Claassens στη συνθετική βιολογία είναι πρωτοποριακή, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί επίσης να αποτύχει. «Ίσως ανακαλύψουμε ότι ο κύκλος μας δεν λειτουργεί και ότι υπάρχει κάτι περισσότερο από μια αλυσίδα ενζύμων. Ίσως, ο κύκλος του Calvin να λειτουργεί καλύτερα από τα θεωρητικά μας σχέδια και απλώς δεν το έχουμε συνειδητοποιήσει ακόμα. Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα αποτέλεσμα της έρευνάς μας». Ωστόσο, αν λειτουργήσει, ο Claassens ονειρεύεται εφαρμογές που θα μπορούσαν να συμβάλουν σε ένα βιώσιμο κόσμο.
Ακολουθήστε το Cibum 
