Tekom evolucije so bakterije za svoje preživetje razvile najrazličnejše biotehnološke rešitve za razgradnjo, pretvorbo in izrabo bioloških polimerov. Če nam jih bomo dobro izkoristili lahko veliko dela opravijo namesto nas.

Avtor članka: dr. Tomaž Rijavec, Odsek za znanosti o okolju, Inštitut Jožef Stefan

---

Procesi, ki jih želimo izvesti v laboratoriju, že potekajo v naravi

Rastline za delovanje svojega metabolizma in izgradnjo biomase uporabljajo različne biološke polimere. Med njimi so zelo zanimivi škrob in inulin, ki zagotavljata velike energetske zaloge, celuloza, ki kot glavna sestavina celičnih sten nudi fizikalno oporo, ter lignin, ki ga rastline uporabljajo za učvrstitev tkiv in za zaščito pred mikroorganizmi.

Škrob in inulin znamo že zelo dobro izkoriščati za našo prehrano, celuloza in lignin pa sta za ljudi precej bolj težavna, saj jih v naših prebavilih ne moremo preprosto razgraditi in predelati. V naravi so te rešitve že razvili mikroorganizmi, bakterije in glive, ki oba biološka polimera s pridom uporabljajo za svojo rast in razvoj. Tako glive, kot tudi bakterije, so se pri tem zelo specializirale. Posamezen mikroorganizem običajno vrši omejeno število razgradnjih korakov, kot združba pa so zaradi specializacije zelo učinkoviti.

Kje lahko v naravi najdemo takšne mikroorganizme? Na primer, na razpadajočem rastlinskem materialu. Razpadli, gnili, oleseneli deli invazivnih rastlin, tako kot pri ostalih rastlinah, niso imuni na delovanje mikroorganizmov. Ob ugodnih okoljskih pogojih bakterije odmrle olesenele dele rastlin učinkovito razgradijo na posamezne komponente ter jih uporabijo za pridobivanje energije za preživetje ali za izgradnjo novih biotehnološko pomembnih spojin (npr. ferulična kislina, vanilin, itd.).

Bakterijam moramo zagotoviti primerno okolje in bodo rastle tudi v laboratoriju

Ugodne pogoje lahko ustvarimo tudi v laboratoriju. Še več, ugodni pogoji, ki jih zagotovimo v laboratoriju, se v naravi zaradi spreminjanja okolja, pojavijo veliko bolj poredko. Bakterijam lahko ob poznavanjem njihovih potreb pripravimo gojišča, kjer so hranila ves čas v izobilju, temperaturo okolja pa tudi lahko neprestano ohranjamo v njihovem optimumu. S pomočjo takšnega gojenja lahko naberemo zelo širok spekter bakterij, tudi tiste, ki ne znajo izrabljati omenjenih bioloških polimerov in jih dejansko ne želimo nabrati. Če se pri izboru torej želimo omejiti, moramo pripraviti selektivna gojišča, ki nam pomagajo izbrati le določene bakterije. Takšna gojišča imajo kot vir ogljika prisoten le en vir, na primer, le celulozo ali le lignin. S pomočjo selektivnih gojišč, tekočih in trdnih (glej sliko), lahko torej v laboraotriju izoliramo čiste bakterijske kulture (oz. posamezne bakterijske seve), ki so sposobne razgrajevati posamezne biološke polimere. V projektu APPLAUSE smo tako že pokazali, da so tako v razpadajočem lesu, kot tudi rizosferi (območju v prsti, ki se nahaja okoli korenin) prisotne bakterije, ki so sposobne razgraditi vse omenjene biološke polimere, lignin, celulozo, škrob in inulin.

Trdna in tekoča gojišča za gojenje bakterij. Foto: Jutro Černilogar in Tomaž Rijavec

Biobanke nam omogočajo trajno shraniti potencial, ki je shranjen v bakterijah

Nabiranje posameznih bakterijskih sevov je težaven in dolgorajen proces. Zavedamo se, da zaradi usmerjenega izbiranja njihovih lastnosti, ves potencial bakterij ni takoj viden. Zaradi tega posamezne bakterij zbiramo v t.i. bakterijske knjižnice, ki jih shranimo v bioloških bankah (biobankah). To shranjevanje mora biti trajno (štejemo ga v letih, desetletjih), kar zagotavimo z zamrzovanjem pri zelo nizkih temperaturah (npr. -80ºC v zamrzovalnih skrinjah ali pri -196ºC na tekočem dušiku). Poleg shranjevanja namo morajo biti bakterije vedno na voljo, da jih iz knjižnic ponovno oživimo in preverimo njihove še ne znane lastnosti. V projektu APPLAUSE preverjamo ali so posamezne bakterije sposobne uporabljati večje število različnih biopolimerov hkrati, saj so takšne bolj uporabne za naš namen. Zaželjeno je, da po razgradnji polimerov iz posameznih komponent izgradijo nove biotehnološko zanimive spojine, ki so za nas uporabne. 

Bakterijske knjižnice, ki jih shranjujemo z zamrzovanjem pri nizkih temperaturah. Foto: Jutra Černilogar in Tomaž Rijavec

S pomočjo izbranih posameznih bakterijskih sevov ali kombinacije večih sevov bomo v projektu APPLAUSE začeli predelovati ratlinski material invazivk, ki se uporablja za izdelovanje papirja ali pa bomo predelali ostanke v proizvodnji papirja, ki zaradi velike vsebnosti lignina predstavljajo neuporaben odpad.

Preberite več:

• Inštitut Jožef Stefan
• Projekt APPLAUSE
• Med prvimi na svetu smo izdelali papir iz japonskega dresnika
• Ali ste vedeli: Iz invazivne tujerodne kanadske / orjaške zlate rozge smo izdelali čisto pravi papir
• Med 206 prijavami je projekt Mestne občine izbran za sofinanciranje
• Ljubljana na poti v krožno gospodarstvo

---

Prelistajte publikaciji:

• Navodila za oddajo rastlin v zbirni center.pdf (PDF, 43 MB)
• APPLAUSE – od škodljivih do uporabnih tujerodnih rastlin z aktivnim vključevanjem prebivalcev.pdf (PDF, 8,3 MB)