V predošlom článku som na úvod zhrnula, ako sa charakterizujú biotechnológie a aké sú najstaršie biotechnologické postupy. Dnes by som sa chcela zamerať na technologicky aktuálnejšiu tému.

Na úvod by som najprv ale mohla vysvetliť, čo to vlastne tie biopolyméry sú. Toto slovo nachádza korene v gréčtine, kde „poly“ znamená veľa a „mer“ symbolizuje nejakú jednotku. Takže všeobecne polyméry sú látky, či už syntetického alebo prírodného pôvodu, ktoré sa skladajú z nejakej základnej jednotky (monoméru), ktorá sa v molekule môže viackrát opakovať (1,2).

Zaujímavý život mikroorganizmov – ako robiť biopolyméry? 2

Polyméry sú teda materiály, ktoré tvoria dlhé a opakovateľné reťazce molekúl. Na základe ich chemickej stavby môžu mať rôzne vlastnosti. Najznámejšie sú asi hlavne syntetické polyméry, s ktorými sa denno-denne stretávame. To sú hlavne materiály ako polypropylén (PP), polyetylén (PE), polyvinylchlorid (PVC), atď. – súhrne nazývané aj ako plasty, práve vďaka ich plastickým (elastickým/deformačným) vlastnostiam (3).

Prírodné polyméry (biopolyméry) majú však oveľa významnejšie vlastnosti a mnohé sú pre živé organizmy nesmierne dôležitým stavebným pilierom. Ide hlavne o bielkoviny, nukleové kyseliny (DNA, RNA), polysacharidy (glykogén, škrob, celulóza, alginát…) a tuky. Konkrétnych príkladov je vážne mnoho (4). V modernej dobe sa vo veľkej miere študujú vlastnosti rôznych biopolymérov, a to si hneď povieme prečo.

Určite nie je novinkou, že znečistenie životného prostredia plastami je jednou z najväčších environmentálnych hrozieb, ktorým musíme ako ľudstvo čeliť. Produkcia plastov začala približne v 50. rokoch minulého storočia a odvtedy by sa dalo povedať, že produkcia tohto materiálu sa exponenciálne zvyšuje (5). Avšak, ak by to ostalo len pri produkcii, tak by to až také hrozné nebolo, ale žiaľ, s týmto sa nám spája aj vzrastajúce znečistenie.

Zaujímavý život mikroorganizmov – ako robiť biopolyméry? 3

História plastov začínala vlastne veľmi pozitívne. Týmto petrochemickým materiálom sa nemôžu uprieť ich neprekonateľné výhody, ktorými sú hlavne, že ide o lacno vyprodukovaný materiál, ktorý je ľahký a má všestranné využitie v rôznych priemyselných odvetviach. Môžeme tu tvrdiť, že plasty sú veľmi dobrým sluhom, ale žiaľ zlým pánom.

Pre mnohé problémy s kontamináciou prostredia sa vedecká obec dostala neraz k otázke: Ako tento problém eliminovať? Jednou z možností je recyklácia a druhá je nájdenie nového materiálu, ktorý by mal podobné aspoň sčasti podobné vlastnosti, ale nerobil by v prírode rovnakú skazu. Určite moderné náhrady plastov poznáte – je to napríklad nehrdzavejúca oceľ (rôzne znovu-používateľné hrnčeky), sklo, silikón, drevo, papier a mnohé ďalšie. Tieto materiály sú síce viac eco-friendly, ale žiaľ, ani zďaleka nemajú toľko benefitov ako plasty (v zmysle, že nekonkurujú ich fyzikálne-chemickým vlastnostiam) (6).

Momentálne sa za najbližšiu zelenú alternatívu považujú práve biopolyméry. Niektoré biopolyméry sa začínajú označovať aj ako bioplasty. Takéto označenie vie byť však citlivé a mätúce, preto radšej naďalej ostanem pri všeobecnom termíne biopolyméry. Na základe mnohých výskumov bolo objavených viacero biopolymérov (tie budem postupne predstavovať), ktoré mali priam až porovnateľné vlastnosti s petrochemickými plastami. No na rozdiel od nich ich veľká výhoda biopolymérov spočíva v tom, že sú biologicky odbúrateľné a biokompatibilné (7). Teda sú environmentálne prijateľnejšia alternatíva.

Vedeli ste, že takéto biopolyméry vedia produkovať aj mikroorganizmy? Jedny z prvých biomateriálov, ktorých vlastnosti boli porovnateľné s petrochemickými plastami, boli polyhydroxyalkanoáty (PHA). Názov znie trošku strašidelne, preto radšej budem používať skratku PHA. PHA sa radia medzi mikrobiálne polyestery – mikrobiálne znamená, že sú produkované mikroorganizmami a polyester je charakteristika chemickej štruktúry (poly znamená, že sa niečo opakuje a ester… no, to je asi len zaťažujúce opakovanie chémie – ide o konkrétny typ väzby, vďaka ktorej je ester nazývaný esterom).

Na nasledujúcom obrázku je znázornená všeobecná štruktúra PHA (8). Písmeno „R“ značí tzv. postranný reťazec – to je väčšinou nejaká molekula, ktorá sa na toto miesto môže naviazať a vďaka nej sa môžu meniť fyzikálne-chemické vlastnosti. Najjednoduchšia molekula, aká sa tu môže naviazať je methylová (-CH₃) a v tomto prípade by sa už PHA nazývalo polyhydroxybutyrát (PHB), ktorého vlastnosti sú najpodrobnejšie preskúmané (a práve sú najviac podobné s petrochemickými plastami). Ďalšie štruktúry PHA sa práve líšia na základe veličiny „R“. Písmeno „n“ zas naopak opakuje počet, koľkokrát sa tento „vzorec“ (monomér) v štruktúre opakuje. Niekto si to možno pamätá, že takýmto spôsobom sa zapisujú štruktúry polymérov.

Zaujímavý život mikroorganizmov – ako robiť biopolyméry? 4

Po tejto ďalšej chemickej vsuvke sa teda dostávame k otázke… ako vlastne mikroorganizmy produkujú PHA? Na zjednodušenie si PHA predstavme ako tuk. My sa možno hneváme, keď sa nám tuk ukladá na postave, ale z fyziologického hľadiska je to pre nás nejaká zásobáreň energie na horšie časy. A podobnou logikou sa na to môžeme pozrieť aj pri mikroorganizmoch. Tie si PHA začnú tvoriť v nehostinných podmienkach, ktoré pre daný mikroorganizmus nie sú optimálne (9).

Dôležité je, že musia mať ale dostatok uhlíkového zdroja, ktorý čerpajú napríklad zo sacharidov alebo tukov. Takto si vedia tento uhlík „zakonzervovať“ a neskôr ho teda využívať tiež ako zdroj energie. Avšak celá biosyntéza je o niečo zložitejšia. Ďalším dôležitým kritériom je nedostatok dusíka, fosforu, kyslíka a síry (10). Okrem rezervoáru energie PHA pre mikroorganizmy predstavujú aj mnohé ďalšie benefity. Tými je napríklad ochrana voči vonkajším vplyvom, akými sú výkyvy teplôt, tlaku a UV žiareniu (11). Celkom win-win situácia.

No a ako teda vlastne PHA vyzerajú uprostred mikroorganizmov? Mikroorganizmy si tvoria PHA vo forme intracelullárnych a vode-nerozpustných granúl. Na nasledujúcom obrázku je znázornená snímka z elektrónovej mikroskopie baktérie Cupriavidus necator, ktorá sa považuje sa veľmi vhodného producenta PHA, konkrétne PHB (12).

Zaujímavý život mikroorganizmov – ako robiť biopolyméry? 5

Čo sa týka histórie, tak ako prvý izoloval PHB francúzsky vedec Maurice Lemoigne, ktorý si v roku 1926 všimol zvláštne vlastnosti pri študovanej baktérii Bacillus megaterium (13). Štruktúru PHA sa mu podarilo preštudovať a zistil aj ako je ju možné extrahovať.

Od tejto doby sa akoby spustil maratón objavov nových producentov PHA a tých je veru naozaj veľa. V 80. rokoch sa dokonca zistilo, že PHB má veľmi podobné vlastnosti komerčne využívanému polypropylénu a neskôr aj teda jeho výhody v oblasti biodegradovateľnosti a biokompatibility, čo začalo privolávať záujem verejnosti (14).

Na záver by som chcela zhrnúť, že výskum v oblasti biomateriálov je nesmierne dôležitý. Produkcia „alternatívnych“ plastov je veľká vízia do budúcna, avšak nanešťastie je stále veľmi nákladná a preto ešte nenachádza úplne komerčné využitie. Našťastie sa však začína vytvárať nový model tzv. Next Generation Industrial Biotechnology (NGIB), ktorý konkuruje klasickým a nákladným biotechnologickým postupom (15). Avšak o tom a aj ďalších biomateriáloch sa bližšie rozpíšem nabudúce. A čo sa týka využitia PHA v priemysle, tak to posúďte sami (16). Ja si myslím, že ide o veľmi zaujímavú molekulu so všestranným využitím.

[Vladimíra]

Absolventka inžinierskeho programu Chémia prírodných látok na Fakulte chemickej VUT v Brne.

Použité zdroje:

Zaujímavý život mikroorganizmov – ako robiť biopolyméry?

Pridaj komentár Zrušiť odpoveď

vedator_sk