Sinice z drukarki

Biologiczne oczyszczanie ścieków tradycyjnie dotyczy usuwania z nich substancji odżywczych dla roślin lub glonów, głównie związków azotu i fosforu. Rośliny wodno-błotne budujące takie oczyszczalnie pochłaniają te substancje, przekształcając je w białka i inne substancje budujące ich ciała.

W ich strefie korzeniowej żyją też organizmy cudzożywne, np. bakterie, mikroskopijne zwierzęta lub grzyby, które zjadają zawartą w ściekach materię organiczną. Nie wszystkie jednak substancje organiczne, zwłaszcza syntetyczne, są chętnie przez nie zjadane, a wiele z nich jest wręcz toksycznych. Radzą sobie z nimi niektóre grzyby czy bakterie, utleniając je przy użyciu enzymów zawierających miedź, nazywanych lakazami. Lakazy zwykle są mało specyficzne i rozkładają bardzo różne związki organiczne, w tym zawierające pierścienie aromatyczne. Lakazy stosowane są m.in. do neutralizacji trudno usuwalnych w inny sposób barwników odzieżowych.

W tym celu używa się często lakaz grzybowych. Rzecz w tym, że są nietrwałe i w oczyszczalni ścieków same szybko się rozkładają. Bardziej nadają się do bezpośredniego stosowania w farbiarniach. Trwała jest natomiast lakaza z otoczki bakterii Bacillus subtilis znanej jako laseczka sienna. Występuje pospolicie, a obecność białka CotA o właściwościach lakazy w jej otoczce chroni ją przed zatruciem. Jest wdzięcznym obiektem hodowli, ale w oczyszczalni ścieków żyje jej się gorzej.

W związku z tym biotechnolodzy od jakiegoś czasu, chcąc uzyskać CotA, pozyskują z laseczki odpowiedni gen i wszczepiają go innym bakteriom. Ostatnio zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego wszczepił go bakterii Synechococcus elongatus. To sinica, a więc bakteria żyjąca jako glon, która potrzebuje niewiele więcej niż woda, dwutlenek węgla i światło słoneczne. Oczywiście potrzebuje fosforu i azotu, ale ich ilość w wodzie naturalnej czy ściekach jest wystarczająca. Do założenia hodowli wystarczy niewielka liczba komórek, które w kilka dni rozmnożą się, tworząc kolonię. Taka kolonia genetycznie zmodyfikowanych – zawierających gen kodujący CotA – sinic może być całkiem efektywnym wkładem do biologicznej oczyszczalni ścieków.

Wprowadzenie mikroorganizmów do nowego środowiska, nawet kiedy to oczyszczalnia ścieków, musi być kontrolowane. W przypadku GMO tym bardziej. W warunkach laboratoryjnych komórki bakterii, które już wypełniły swoje zadanie, można odwirować, ale to pracochłonne. W warunkach pozalaboratoryjnych istnieje też ryzyko nieoczekiwanej ucieczki. Biotechnolodzy wpadli więc na pomysł, aby sinice uwięzić w hydrożelu. Jeżeli przepuszcza on wystarczająco dużo światła i wody zawierającej substancje odżywcze, łącznie z dwutlenkiem węgla, kultura Synechococcus elongatus może się rozwijać. Obecnie technologie hodowli komórek w hydrożelu nie są już niczym niezwykłym. Mogą to być nawet tkanki, co wykorzystuje się do hodowania skóry potrzebnej do przeszczepu. Trzeba tylko dobrać odpowiedni szkielet.

Idealnym szkieletem jest wielocukier uzyskiwany z innych glonów – alginian. Tworzy hydrożel w temperaturze pokojowej. Jest substancją naturalną. Do oczyszczania ścieków najlepiej nadają się płatki formowane drukarką 3D. Tworzy je materiał biologiczny nazywany biotuszem. Biotusz to właśnie hydrożel, w tym przypadku oprócz alginianu i wody zawierający żywe komórki sinic. Alginianowy hydrożel nie tylko więzi sinice, ale i chroni je przed warunkami drukowania.

Na wypadek gdyby jednak jakieś komórki uwolniły się z hydrożelu, biotechnolodzy wbudowali w ich genom bezpiecznik. Jest nim ryboprzełącznik, który po aktywacji teofiliną uruchamia procesy prowadzące do samoczynnego rozpadu komórek. Wystarczy więc wprowadzić teofilinę, skądinąd niegroźną substancję pozyskiwaną z herbaty lub kakaowca, bardzo podobną do kofeiny, do roztworu, a zbiegłe sinice popełnią samobójstwo.

Piotr Panek

Fot. Wikipedysta Masur, domena publiczna

  • Debika Datta, Elliot L. Weiss, Daniel Wangpraseurt, Erica Hild, Shaochen Chen, James W. Golden, Susan S. Golden, Jonathan K. Pokorski (2023) Phenotypically complex living materials containing engineered cyanobacteria  Nature Communications. 14, 4742 doi:10.1038/s41467-023-40265-2