Науковці відкрили інноваційний шлях у виробництві текстилю, застосувавши генетично модифіковані бактерії для одночасного створення та фарбування тканин. Цей метод, що виконується в єдиному реакційному середовищі, пропонує значно простіший та екологічно прийнятніший підхід до виготовлення кольорових матеріалів у порівнянні з традиційними способами, які здебільшого залежать від викопного палива.
Новаторське дослідження, детально описане 12 листопада в журналі «Trends in Biotechnology», демонструє, як фахівці створили целюлозні тканини всіх кольорів веселки, змінюючи умови вирощування бактерій. Целюлоза – це найпоширеніший органічний полімер на Землі, що є основним компонентом клітинних стінок рослин і становить основу таких тканин, як бавовна. Її виробництво за допомогою бактеріальної ферментації останніми роками привертає дедалі більше уваги як альтернатива синтетичним волокнам.
Екологічний виклик сучасної текстильної промисловості
Професор Санг Юп Лі з Департаменту хімічної та біомолекулярної інженерії Корейського передового інституту науки і технологій (KAIST) – провідного науково-дослідного університету Південної Кореї – підкреслює, що синтетичні волокна “значною мірою покладаються на хімічний синтез і подальші етапи обробки, які є енергоємними, трудомісткими та шкідливими для довкілля”. Такі процеси, за його словами, можуть призводити до значних викидів парникових газів і забруднювати воду та ґрунт важкими металами й канцерогенами. KAIST, розташований у місті Теджоні, відомий своїми розробками у сфері біотехнологій та сталого розвитку.
Саме тому зростає зацікавленість у використанні бактерій для виробництва природних волокон, зокрема целюлози, яка імітує натуральні волокна бавовни. Хоча бактерії зазвичай перетворюють глюкозу на целюлозні волокна для структурної підтримки та захисту від інших мікроорганізмів, отримана таким чином целюлоза природно білого кольору, що вимагає подальшого фарбування.
Народження кольору в біореакторі
Команда професора Лі спростила цей багатоетапний процес, культивуючи бактерії, що виробляють целюлозу, поруч із мікробами, які синтезують природні барвники. Дослідники використовували штами бактерії Escherichia coli (E. coli) – хоча деякі її штами відомі як збудники кишкових інфекцій, більшість з них є нешкідливими мешканцями кишківника людини і широко застосовуються в біотехнологіях для виробництва різних сполук. Ці штами E. coli виробляли два класи барвників: темніші віолацеїни (що давали фіолетовий, синій та зелений відтінки) та тепліші каротиноїди (червоний, помаранчевий та жовтий).
Спочатку вчені генетично змінили метаболічний шлях штаму бактерії Komagataeibacter xylinus для збільшення виробництва целюлози під час ферментації – процесу перетворення органічних речовин за допомогою мікроорганізмів. Після додавання до реакційного резервуара E. coli, що продукували віолацеїни, були отримані тканини фіолетового, синього та зеленого кольорів.
Проте для отримання теплих тонів застосувати той же спосіб не вдалося, оскільки бактерії не виробляли достатньо барвника для фарбування целюлози. Щоб вирішити цю проблему, дослідники додали попередньо вирощену та оброблену целюлозу до культури E. coli, що продукувала каротиноїди. Цей метод спільного культивування успішно дав тканини, пофарбовані в червоний, помаранчевий і жовтий кольори, завершивши таким чином кольорову палітру команди.
Перспективи та подальші кроки
Загалом, цей інноваційний підхід “усуває потребу в окремих процесах фарбування та прання”, – зауважує професор Лі, додаючи, що це допомагає істотно зменшити обсяги хімічних відходів та споживання води. Пофарбована бактеріальна целюлоза продемонструвала високу стійкість до кислот, лугів, термічної обробки та прання. Однак команда зазначила, що для повноцінного тестування цих матеріалів необхідна подальша робота, зокрема – перевірка їхньої довговічності щодо промислових мийних засобів та механічного зносу.
Надалі професор Лі прагне “розширити поточну палітру семи кольорів до ширшого спектру” та масштабувати процес до промислового рівня, зберігаючи при цьому стабільну якість. Подальші зміни у способі виробництва целюлози бактеріями можуть відкрити нові можливості для використання цього матеріалу, наприклад, у створенні біорозкладної упаковки, що стане ще одним кроком до екологічно відповідального виробництва.
