Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), Калифорнийского университета в Ирвайне и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне (UIUC) использовали биологические методы для преобразования человеческой мочи в ценный продукт. Команда генетически модифицировала дрожжи, чтобы они могли извлекать элементы, содержащиеся в моче, и создавать гидроксиапатит — минерал на основе кальция и фосфора, который естественным образом вырабатывается у людей и других животных для построения костей и зубов.
Коммерчески производимый гидроксиапатит используется в хирургии и стоматологии для восстановления этих структур при их повреждении, а благодаря своей лёгкости и выдающейся прочности и жёсткости этот материал является отличным кандидатом в качестве строительного материала и даже замены некоторых видов пластика.
Их работа, недавно опубликованная в журнале Nature Communications, не только обеспечивает экономически выгодный путь к производству гидроксиапатита, но и предлагает практический механизм снижения стоимости очистки сточных вод, энергоэффективный способ производства удобрений и открывает двери для других технологий на основе дрожжей, которые могут создавать полезные материалы из добытых минералов.
В центре внимания — штамм Saccharomyces boulardii, дрожжи, тесно связанные с видами, используемыми для приготовления пива и хлеба. S. boulardii любит захватывать минералы из окружающей среды и хранить их внутри специального мембранного отсека.
Соавторы Ясуо Ёшикуни, руководитель программы синтеза ДНК в Объединённом институте генома (JGI), и Питер Эрциус, научный сотрудник Национального центра электронной микроскопии в Фонде молекулярных исследований, изучали способы создания функциональных биоматериалов с помощью микробов, когда поняли, что S. boulardii естественным образом выполняет действия, аналогичные остеобластам — специализированным клеткам животных, которые производят гидроксиапатит и формируют кость.
И JGI, и Фонд молекулярных исследований являются объектами Министерства энергетики США, расположенными в Berkeley Lab.
«Удачная часть заключается в том, что у этих дрожжей уже были похожие молекулярные механизмы», — сказал Ёшикуни, который специализируется на разработке микробов для производства топлива, химикатов и материалов в JGI. «Достаточно было лишь слегка их настроить, чтобы превратить дрожжи в клеточный завод по производству гидроксиапатита».
Получившийся организм, получивший название «остеойест», успешно имитирует остеобласты, которые чрезвычайно трудно и дорого культивировать вне тела, сохраняя при этом неприхотливый образ жизни дрожжей. С самого начала остеойест представлял собой большую отдачу от инвестиций, позволяя производить более дешёвый гидроксиапатит. Но команда увидела возможность оказать большее глобальное влияние с помощью своего изобретения, используя мочу в качестве источника минералов — вдохновлённая новой тенденцией в биотехнологии, метко названной «пи-сайклингом» (переработкой мочи).
«Это именно то, о чём вы думаете», — сказал автор Бехзад Рад, главный научный инженер в Лаборатории биологических наноструктур в Фонде молекулярных исследований. «Люди пытаются собирать мочу до того, как она попадёт в канализацию, чтобы использовать содержащийся в ней аммиак и фосфаты в сельском хозяйстве и других целях. Эти компоненты вызывают экологические проблемы, когда сточные воды попадают в ландшафт или океан, поэтому очистные сооружения уже тратят много денег на нейтрализацию мочи. Идея в том, что мы могли бы использовать её с пользой».
Согласно Ёшикуни, пи-сайклинг не получил широкого распространения, потому что стоимость аммиака и фосфатов настолько низка, что нет особого финансового стимула для инвестиций в новую крупномасштабную инфраструктуру, которая может восстановить эти ингредиенты. Но теперь остеойесты могут производить ценный гидроксиапатит из фосфора (и кальция) в моче. И, что удобно, микробы также собирают соли аммиака в своих мембранных отсеках.
«Сегодня мы используем около 1% мировой энергии для производства удобрений из газообразного азота», — сказал он. «Если мы сможем производить как гидроксиапатит, так и азотные удобрения из аммиака, мы потенциально сможем заменить значительную часть общего спроса на азот, экономя энергию и одновременно значительно снижая затраты на очистных сооружениях».
Ключевой частью этого проекта было подтверждение того, что остеойесты выполняют все этапы производства гидроксиапатита. Начальные результаты показали, что проект был успешным, когда Исаак Мюллер и Алекс Лин, два докторанта в Berkeley Lab и соавторы статьи, обнаружили гидроксиапатит в культуре — но учёные не нашли кристаллический материал внутри дрожжей.
Они могли видеть наноразмерные минеральные гранулы, собранные внутри клеток, но не были уверены, завершает ли дрожжи процесс формирования кристалла или происходит отдельная химическая реакция вне клеток. Эту часть проекта возглавляли Эрциус и Рад, используя инструменты Фонда молекулярных исследований.
Рад использовал штаммы дрожжей, помеченные крошечными флуоресцентными белками и элементами, чтобы наблюдать за сбором ингредиентов дрожжами с помощью оптической микроскопии, в то время как Эрциус использовал просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ), чтобы убедиться, что гранулы, образующиеся в мембране хранения, имеют тот же состав, что и гидроксиапатит. Комбинируя методы, они смогли отследить весь процесс. Эрциус также использовал ПЭМ, чтобы показать, что гидроксиапатит имеет высокое качество с идеальной наноструктурой.
Тем временем Ёшикуни вместе с Юсуке Отани, соавтором-первопроходцем и докторантом в JGI, продемонстрировали, что микробы могут производить этот ценный материал с впечатляющей эффективностью, производя один грамм гидроксиапатита на килограмм мочи.
«Совмещение всех этих объектов было ключевым», — сказал Эрциус. «То, что мы могли встречаться и работать так близко, было действительно важно. Я не биолог, а мои коллеги не эксперты в области синтеза и характеристики материалов. Эта работа демонстрирует, чего можно достичь, объединив научные подходы, которые обычно не используются вместе».
Чтобы подтвердить, что их проект по переработке мочи экономически жизнеспособен, учёные из Berkeley Lab обратились к соавтору Джереми Гесту, руководителю отдела устойчивого проектирования в Центре инноваций в области передовых биоэнергетики и биопродуктов Министерства энергетики США в UIUC. Гест и Синьи (Джой) Чжан, научный сотрудник UIUC, провели технико-экономический анализ для моделирования распределённых систем производства гидроксиапатита, обслуживающих город размером с Сан-Франциско.
Принимая во внимание затраты на культивирование остеойестов и отделение мочи от сточных вод, Гест и Чжан подсчитали, что производство одного килограмма гидроксиапатита коммерческого качества обойдётся примерно в 19 долларов, который можно продать на рынке США за 50–200 долларов. Вся система могла бы приносить прибыль около 1,4 миллиона долларов в год при одновременном снижении количества химических веществ, необходимых для обеспечения безопасности сточных вод.
«Важно, чтобы мы рассмотрели потенциальные последствия полномасштабной системы», — сказал Гест. «Мы можем разработать новую технологию и продемонстрировать её в лаборатории, но действительно ли она осуществима? Есть ли возможность для этой инновации в реальном мире?»
Запатентованные остеойесты теперь доступны для лицензирования с целью производства гидроксиапатита, и команда работает над созданием новых штаммов, которые могут синтезировать другие биоматериалы на основе биоматериалов или захватывать и хранить определённые элементы для обеспечения экологически чистой биодобычи. Приложений для этой технологии почти столько же, сколько и каламбуров для её описания.