Vědci geneticky upravují kvasinky tak, aby dokázaly přeměnit plastový odpad na sušenky bohaté na bílkoviny, které by v budoucnu mohly sloužit jako potrava pro lidi na Zemi, Měsíci či Marsu.
Plastové láhve a sušenky spolu zdánlivě nemají nic společného, avšak výzkumníci hledají způsob, jak je propojit. Díky úpravě kvasinek vědci vyvinuli systém, který dokáže přeměnit sloučeniny z plastového a zemědělského odpadu na jedlé bílkoviny, vitamíny, dochucovadla a další potravinářské přísady.
Tento postup by mohl nabídnout nový způsob opětovného využití obtížně zpracovatelného odpadu a zároveň pomoci s produkcí potravin v oblastech, kde jsou běžné zdroje omezené. Možnosti využití sahají od oblastí postižených katastrofami na Zemi až po lidské mise do hlubokého vesmíru.
Výzkumníci prezentovali své výsledky na podzimním zasedání Americké chemické společnosti (ACS) v rámci sympozia „Výzkum studentů bakalářského a postgraduálního studia v oblasti biochemie a chemické biologie“ v centru McCormick Place.
Přeměna plastového odpadu na potraviny
Znečištění plasty a potravinová nejistota jsou dva hlavní globální problémy a vědci z Southern Illinois University (SIU) Carbondale zkoumají, zda by jeden problém mohl pomoci řešit druhý. Jejich cílem je využít mikroorganismy k přeměně odpadních materiálů na potraviny, které lidé mohou bezpečně jíst.
Výzkum vzešel z projektu vedeného NASA, zaměřeného na produkci potravin v podmínkách omezených zdrojů při průzkumu hlubokého vesmíru, kde se astronauti nemohou spoléhat na pravidelné zásilky ze Země.
„Snažili jsme se vyvinout technologie pro recyklaci plastů, abychom vyráběli hodnotnější produkty. Říkali jsme si, proč se nezaměřit na výrobu potravin? Protože plast je uhlík a jídlo je uhlík,“ vysvětluje docent Lahiru Jayakody.
Hlavním cílem je polyethylentereftalát (PET), široce používaný plast, který se nachází ve výrobcích jako jsou lahve na limonády a vodu. PET obsahuje molekuly bohaté na uhlík, které lze potenciálně rozložit a přestavět na užitečné sloučeniny, včetně složek, které se nakonec mohou stát proteiny.
Vědci by mohli některé z těchto transformací provádět pomocí chemických reakcí a laboratorních rozpouštědel. Tým SIU Carbondale se místo toho obrátil na mikroby, které dokáží přirozeně provádět složité biochemické procesy.
Návrh kvasinek jako malé továrny na potraviny
Používání mikroorganismů k výrobě užitečných látek je již dobře zavedené. Například kvasinky lze geneticky naprogramovat k produkci cenných molekul. Inzulín, který se kdysi získával ze zvířecích slinivek, lze nyní vyrábět pomocí uměle vytvořených mikrobů.
Jayakody a doktorandka Sandhya Jayasekaraová aplikovali podobný princip na odpad. Naprogramovali několik druhů kvasinek, včetně kvasinek pekařských, tak, aby dokázaly zpracovat molekuly získané z plastů a zemědělských zbytků a přeměnit je na bílkoviny, vitamíny a látky dodávající chuť. Než však kvasinky mohou tyto materiály využít, musí být odpad rozložen na menší, lépe zpracovatelné části.
Výzkumníci zpracovávají PET plasty, odpadní kukuřičné stonky a listy i další biomasu pomocí vlastní metody zvané oxidační hydrotermální rozklad. Tento proces, který vyvinul profesor geologie Ken Anderson z univerzity SIU Carbondale, využívá kombinaci vody, kyslíku, vysoké teploty a tlaku k rozkladu odolných materiálů na sloučeniny přístupné mikroorganismům. Tyto menší molekuly pak slouží jako potrava pro geneticky upravené kvasinky. Mikroorganismy je přeměňují na nové potravinářské složky, včetně bílkovin, tuků a kyselin.
Od odpadních materiálů k sušenkám z 3D tiskárny
Jakmile jsou složky získané z kvasinek připraveny, výzkumníci je smíchají s vlákninou, škrobem a sladidlem. Směs se poté vytlačuje přes 3D tiskárnu, čímž vznikají sušenky bohaté na bílkoviny s názvem µBites (čteno „microbites“). Dostupné údaje naznačují, že sušenky µBites jsou zdravotně nezávadné, ačkoli výzkumníci před zahájením oficiálních chuťových zkoušek stále čekají na institucionální schválení.
Prozatím účastníci hodnotili sušenky pouze na základě jejich vůně. Většina z nich uvedla, že by byli ochotni sušenky µBites konzumovat v situacích, kdy je nedostatek potravinových zdrojů. Výzkumníci se rovněž snaží učinit sušenky atraktivnějšími pro lidi, kteří mají i jiné možnosti stravování.
Jayasekaraová vyšlechtila kmeny kvasinek schopné produkovat další potravinářské složky. Pekařské kvasinky nyní dokážou z rostlinné biomasy vytvářet vanilkové aroma. Jiný kmen kvasinek zase umí využít ethylenglykol získaný z PET plastů k produkci betakarotenu, který si lidský organismus dokáže přeměnit na vitamín A. „Využíváme mikroorganismy k tomu, abychom ze sušenky vytvořili atraktivnější produkt, který bude pro spotřebitele přitažlivější,“ říká Jayasekaraová.
Více složek sušenky díky mikroorganismům
Cílem týmu je, aby mikroorganismy v budoucnu produkovaly ještě více složek potřebných pro výrobu sušenek µBites. Patří mezi ně i škrob, vláknina a sladidlo, které se v současnosti musí přidávat odděleně. Jayakody doufá, že by tyto sušenky mohly být připraveny ke konzumaci veřejností během několika příštích let.
Kromě běžného využití na Zemi by tato technologie mohla být obzvláště cenná v prostředí, kde je obtížné přepravovat nebo dodávat velké množství potravin. Mezi možná místa využití patří ponorky, oblasti postižené katastrofou a v budoucnu i lidské osady na Měsíci či Marsu.
Výzkumníci rovněž vnímají tuto technologii jako jedno z možných řešení rostoucího tlaku na globální zásobování potravinami. „Očekává se, že celosvětová poptávka po potravinách vzroste do roku 2050 o 35–56 % a přibližně 30 % světové populace bude v budoucnu ohroženo hladem. Věřím, že cestou k řešení tohoto problému je využití mikrobů,“ uzavírá.
Výzkum byl financován v rámci iniciativy NASA „Deep Space Food Challenge“ a grantu programu CAREER (Faculty Early Career Development Program) organizace National Science Foundation.
Zdroj: sciencedaily.com