Skąd wziął się pomysł, żeby do produkcji biopolimerów wykorzystywać bakterie?

Koncepcja badań dotycząca mikrobiologicznej produkcji polimerów zrodziła się podczas moich studiów doktoranckich. Już wtedy wiadomo było, że bakterie mają duże zdolności do produkcji związków o charakterze aplikacyjnym. Wówczas moje zainteresowania badawcze skupiły się na poszukiwaniu bakterii wyizolowanych ze środowisk naturalnych zdolnych do produkcji polihydroksyalkanianów (PHA). Są to związki, które wzbudzają szczególne zainteresowanie badaczy oraz przedstawicieli przemysłu. Charakteryzują się korzystnymi właściwościami takimi jak: podatność na biodegradację czy też termoplastyczność oraz są brane pod uwagę jako alternatywny materiał w stosunku do polimerów syntetycznych, których powszechne użycie nadal jest uciążliwe dla środowiska. Wiedziałam, że produkcja tych biopolimerów jest kosztowna, dlatego też zrodził się pomysł zastosowania odpadów przemysłowych podczas hodowli bakterii. Moją naukową przygodę rozpoczęłam od eksperymentów mających na celu oszacowanie możliwości zastosowania posmażalniczych olejów roślinnych z przetwórstwa rolno-spożywczego. Ku mojemu ogromnemu zaskoczeniu, bakterie, które wówczas badałam, nie tylko efektywnie rosły, ale również produkowały biopolimery w pożywce z dodatkiem poprodukcyjnych olejów. Był to mój pierwszy naukowy sukces, przede wszystkim dlatego, że udało mi się zastosować odpad przemysłowy do produkcji unikalnych biopolimerów. Na pewnym etapie obróbki żywności olej roślinny, wykorzystywany jako medium smażalnicze, nie powinien być dalej stosowany w procesach przygotowania żywności, co więcej powinien być poddany kosztownemu procesowi unieszkodliwienia. Możliwość wykorzystania tego typu produktów odpadowych przez mikroorganizmy była obiecująca ze względu na obniżenie kosztów funkcjonowania branży rolno-spożywczej.

Jak wiemy, utylizacja odpadów przemysłowych jest kosztowna. Na czym zatem polegały te badania?

Głównym celem badań było opracowanie nowatorskiego procesu wytwarzania biopolimerów przez bakterie, który pozwoli na rozwiązanie problemu zagospodarowania produktów odpadowych generowanych przez branżę rolno-spożywczą oraz zminimalizuje wysokie koszty produkcji bioplastiku. Co najważniejsze, badania te były zgodne z koncepcją gospodarki o obiegu zamkniętym, a więc wykorzystanie odpadów z produkcji przemysłowej jako surowców do otrzymania wartościowych biopolimerów do dalszych zastosowań. Aby osiągnąć korzyści ekologiczne oraz ekonomiczne w wyniku produkcji biopolimerów, oprócz wspomnianych poprodukcyjnych olejów roślinnych, stosowałam również odpadową frakcję glicerynową z produkcji biodiesla oraz uboczne produkty powstające podczas przetwórstwa mleka. Zaobserwowałam, że również te surowce odpadowe były efektywnie wykorzystywane przez bakterie do produkcji PHA.

O jakich bakteriach mówimy?

Zdolność do produkcji PHA jest u bakterii dość częsta. Jednakże najcenniejsze są te gatunki, które charakteryzują się dużymi możliwościami metabolicznymi, a tym samym niewielkimi wymaganiami wzrostowymi. Pomimo od lat prowadzonych badań nad mikrobiologiczną syntezą polimerów, nadal poszukuje się bakterii, które są w stanie rosnąć oraz efektywnie produkować biopolimery w hodowlach z dodatkiem trudnych do zagospodarowania odpadów przemysłowych. W mojej pracy wykorzystuję bakterie z rodzaju Pseudomonas pochodzące z oczyszczalni ścieków, które są dla mnie szczególnie cenne z uwagi na ich unikalność oraz niesamowitą zdolność metabolizowania produktów odpadowych. Ponadto, w ostatnich latach prowadziłam procesy biotechnologiczne z wykorzystaniem bakterii ekstremofilnych z gatunków Halomonas alkaliantarctica oraz Paracoccus homiensis, które zostały pozyskane z kolekcji zagranicznych. Wyniki badań otrzymane przez mój zespół wskazują na ich dużą zdolność do syntezy biopolimerów z wykorzystaniem odpadów powstających przy produkcji biodiesla oraz produktów ubocznych z przemysłu mleczarskiego. Co najważniejsze wyekstrahowane polimery charakteryzowały się korzystnymi właściwościami termicznymi i mechanicznymi, co jest szczególnie obiecujące, biorąc pod uwagę możliwości ich zastosowania w przemyśle.

Jak wyglądają gotowe biopolimery i gdzie je można wykorzystać?

Wygląd PHA zależy między innymi od bakterii produkującej ten biopolimer, składu medium hodowlanego, rodzaju PHA oraz sposobu jego ekstrakcji. Bakterie wytwarzają PHA jako materiał zapasowy wewnątrz komórek, a więc rodzaj związków wykorzystywanych do wydobycia PHA z bakterii determinuje strukturę i właściwości tego biopolimeru. W pracy badawczej skupiam się na produkcji polihydroksyalkanianów krótkołańcuchowych, które po etapie ekstrakcji przypominają folię spożywczą. Można z nich wytworzyć biodegradowalne tace i pojemniki do żywności, naczynia jednorazowego użytku, torby czy też butelki na produkty płynne, co ma istotne znaczenie z punktu widzenia ochrony środowiska. Biopolimery te mogą stanowić bazę wyjściową do produkcji folii znajdujących zastosowanie jako opakowanie do żywności oraz w rolnictwie jako folie na odpady komunalne, a także odpady zielone. Ponadto prowadzę hodowle w kierunku produkcji polihydroksyalkanianów średniołańcuchowych, których wygląd można porównać do taśmy klejącej. Z uwagi na ich właściwości, takie jak prawidłowe funkcjonowanie w żywych komórkach, mogą znaleźć zastosowanie w produkcji materiałów medycznych. Przeprowadzone do tej pory badania potwierdzają możliwość ich wykorzystania jako nośników leków podawanych w formie doustnych tabletek, podskórnych implantów oraz mikrokapsuł wprowadzanych drogą iniekcji.

Jakie są pani plany naukowe na przyszłość?

Moje plany mają charakter interdyscyplinarny i obejmują badania zarówno technologiczne, jak i molekularne. Przede wszystkim chciałabym zwiększyć skalę bioprocesu w celu uzyskania wyższego poziomu syntezy biopolimerów. Wyekstrahowane biopolimery chciałabym wykorzystać jako bazę do produkcji materiałów opatrunkowych modulujących proces gojenia się ran. Ponadto, planuję skupić się na poznaniu molekularnych mechanizmów warunkujących powstanie tych cennych związków podczas procesu hodowlanego z wykorzystaniem produktów odpadowych. Wiedza ta ułatwi wydajniejsze projektowanie i sterowanie procesami mikrobiologicznej syntezy PHA, aby w przyszłości efektywniej produkować te biopolimery.

Rozmawiała Sylwia Zadworna

Dr hab. Justyna Możejko-Ciesielska, prof. UWM pracuje w Katedrze Mikrobiologii i Mykologii na Wydziale Biologii i Biotechnologii UWM. Jej zainteresowania badawcze koncentrują się na mikrobiologicznej syntezie polimerów biodegradowalnych o potencjalnych zastosowaniach w medycynie i farmacji. Jest autorką lub współautorką wielu znaczących publikacji z tego zakresu dotyczących zwłaszcza hodowli bakterii posiadających zdolność do syntezy cennych bioproduktów w bioreaktorach.

Artykuł ukazał się w kwietniowym wydaniu „Wiadomości Uniwersyteckich”. Tematem przewodnim numeru były zmiany w rolnictwie. Uniwersyteccy eksperci opowiadali m.in. o Europejskim Zielonym Ładzie, rynku mleka, zarządzaniu gospodarstwem rolnym i przewidywali scenariusze dotyczące kierunków, w jakich będzie zmierzało rolnictwo. Sprawdziliśmy także, jakie rozwiązania z myślą o rozwoju tego sektora gospodarki opracowują naukowcy z UWM oraz przyjrzeliśmy się socjologicznym i historycznym aspektom związanym z rolnictwem w Polsce.