Научни новини: Храна за пчели, слънцезащита, биосензори и биоинженерна пластмаса

Лакомства за пчели

Пчелите са едни от ключовите работници в земеделието, чийто труд понякога се приема за даденост. В съвременните производства те са своеобразни наемници – кошерите им се местят близо до културите, които трябва да опрашат, и не е изключение това да става няколко пъти през сезона. Макар да се предполага, че пчелите ще имат достатъчен достъп до цъфтящи растения, от които да си набавят прашец и нектар (т.нар. паша), с разрастващите се климатични промени и човешка дейност понякога цветният прашец се оказва недостатъчен. За справяне с проблема пчеларите рутинно използват подхранване с поленови заместители, но техният състав не е оптимален. Обикновено тези поленови заместители се приготвят от протеинов прах, захари и масла, в които не присъстват важни компоненти от диетата на пчелите.

Подобно на бозайниците, които не могат да синтезират някои витамини и аминокиселини и им се налага да ги приемат с храната си, пчелите са загубили способността да произвеждат стероли, ключово важни за протичането на редица процеси в клетките им. За да си ги набавят, работничките, които се грижат за пилото (съвкупността от яйца, ларви и какавиди), приемат стероли от събрания полен, след което ги концентрират и отделят чрез специализирани жлези в устите си.

Този естествен процес вдъхновява учените за нова разработка, която обещава пълноценна храна за пчелите, помагайки им да запазят висока жизненост на колонията. След като анализират стеролното съдържание на пчелите, изследователи от Оксфорд определят, че най-важни за тези насекоми са шест стерола, като единият от тях (24-MC) съставя 60–70% от общото съдържание на стероли в какавидите. Донякъде очаквано, съотношението между шестте е различно при какавидите на различните видове пчели, което се връзва с познатия ефект от диетата върху развитието на пчелните ларви – в зависимост от приеманата храна ларвите се превръщат в работнички или в пчели майки.

Прицелвайки се в тези шест вещества, екипът се захваща с техния биологичен синтез, избирайки вид дрожди, които натрупват много липиди. Тъй като в естественото си състояние дрождите не синтезират 24-MC, се налагат няколко промени в метаболизма им – премахват се два гена, за да се натрупа прекурсор на желания стерол, и се вмъкват два други гена, кодиращи ензими, които превръщат прекурсора в 24-MC. След като създават този щам на дрождите, учените го модифицират допълнително така, че да натрупва и другите пет стерола. Източниците на гените са най-различни – картоф, киноа, зелени водорасли.

След култивиране на дрождите в биореактори получената биомаса се изсушава, стрива се и се влага в специална храна за пчелите. Резултатите от изпитването ѝ са впечатляващи – колониите, подхранени с нея, отглеждат до 10–15 пъти повече ларви към края на сезона, а продуктивният сезон е по-дълъг. Тъй като изследването е проведено в специални кошери и в контролирани условия, предстоят по-обширни полски изследвания, които да определят дългосрочните ефекти от храната върху здравето на колониите.

Освен по-добрия хранителен ефект, потенциална полза от тази разработка е, че така може да се намали конкуренцията на комерсиално отглежданите пчели с дивите видове. Проучване в Южна Калифорния показва, че медоносните пчели могат да извлекат около 80% от полена в района на пашата си, лишавайки местните видове от важен ресурс. Според авторите медоносните пчели съставляват над 98% от пчелната биомаса в изследваната екосистема, което донякъде се дължи и на по-големия им размер. Но ако хранителните ресурси станат достъпни за местните пчели, техните популации биха се увеличили над 50 пъти.

Този подход може да се приложи и при други видове, например при земните пчели, които са често срещан опрашител в оранжериите. Възможно е и създаване на храни, които да помогнат именно на местните видове да се справят с промените в своите хабитати.

Природна слънцезащита

Макар човешкото тяло да има нужда от слънчева светлина (например за синтез на витамин D), не се препоръчва по-продължително излагане на слънце без някаква защита. Потенциалната вреда се дължи на лъчите в ултравиолетовия спектър (UVA и UVB), които имат голям ефект върху кожата ни. UVA проникват по-дълбоко в нея, причинявайки преждевременното ѝ състаряване и набръчкване. Макар и с по-плитко проникване, UVB имат по-висока енергия и са много по-вредни, тъй като могат да разкъсват веригите на ДНК, което е предпоставка за възникване на мутации, а оттам и на ракови заболявания.

Това налага използването на слънцезащитни препарати, особено когато ще стоим дълго на слънце. През годините са използвани най-различни вещества, но към момента само две от тях са безопасни според Агенцията за контрол на храните и лекарствата на САЩ – цинковият оксид и титаниевият диоксид. Други (оксибензон, октиноксат) се приемат през кожата и могат да нарушат хормоналния баланс, което води до тяхната забрана – оксибензонът е забранен за употреба в Европейския съюз от края на 2023 г. Освен за хората, някои съставки в слънцезащитните кремове са токсични и за морските обитатели – изключително неприятен факт, като се има предвид, че около 25% от слънцезащитата се отмива след 20-минутен престой във водата.

Тъй като защитата от ултравиолетовото лъчение е важна, много организми са развили свои механизми за справяне с неговите вредни ефекти. Пример е спорополенинът – биополимер, който обвива цветния прашец. Спорополенинът е изключително стабилен и здрав заради разнородния си състав, включващ и фенолни съединения, които могат да абсорбират ултравиолетовата светлина.

Тази характеристика на поленовата обвивка се използва в нова разработка на слънцезащитен продукт, който може да се употребява като традиционните препарати, предлагани в момента. За приготвянето му учените изпробват два варианта – прашец от чаен храст и от слънчоглед. Този прашец след двустъпкова обработка образува микрогел. След като с помощта на инвитро отгледани кожни клетки се установява, че е безвреден, се стига и до прякото му изпробване върху лабораторни мишки, изложени на ултравиолетова светлина.

Резултатите от експериментите са обещаващи – кожата на третираните мишки е защитена от вредното влияние на светлината. Това се потвърждава и от ниските нива на експресия на гени, които обикновено се активират при повреди, причинени от слънчево изгаряне. Накратко: защитният ефект на микрогела с прашец от чай е сходен с ефекта от комерсиално предлаган препарат, в чийто състав има редица съставки, които попиват в кожата и могат да причинят промени в хормоналния баланс. Средното ниво на защита се равнява на SPF 27 и това го прави подходящ за ежедневна употреба в слънчево време.

Наред с този добър резултат екипът отбелязва още две важни открития. В сравнение с традиционния слънцезащитен продукт микрогелът поглъща по-малко светлина от видимата и инфрачервената част от спектъра. Това води до значително по-бавно затопляне на кожата и съответно иновативният гел е по-приятен за използване. Другият ефект, значително по-важен, е върху морските обитатели. При отглеждане на корали във вода, в която има комерсиално предлаган продукт, който би трябвало да е безопасен за тях, те се избелват за две седмици. За сравнение, микрогелът от чаен прашец е безвреден дори след два месеца.

Това е пример, че освен питателен ресурс за пчелите, поленът може да бъде суровина и за човека. С оглед на ограничения достъп на опрашителите до полен е трудно да се прецени какво би означавало масовото производство на такъв слънцезащитен продукт за екологичния баланс. От една страна, с него би се намалил доказаният вреден ефект от сегашните продукти за слънцезащита върху морските организми. От друга страна, достъпната храна за пчелите би намаляла, което ще се отрази върху техните популации. Въпросът доколко етично е индустриалното събиране на полен, остава без категоричен отговор. А към момента изкуственият синтез на спорополенин все още изглежда далеч, защото съставът му е неясен и не се знае какъв е точният биосинтетичен път в растенията.

Въпреки това подобни разработки дават надежда, че природата може да ни вдъхнови за създаването на по-щадящи продукти, които в даден момент да станат приложими и да помогнат за опазването ѝ.

Биологични сензори

Микропластмасите са един от по-новите замърсители и ефектът от тях все още не е напълно изяснен, но присъствието им вече е повсеместно – от мозъците ни до далечни ледници. Въпреки широкото им разпространение те са изключително трудни за откриване поради малкия си размер. Към момента при най-често прилаганите методи са нужни дълга пробоподготовка и високотехнологична апаратура, като микроскопи и спектроскопи, поради което процесът е скъп и времеемък.

Възможно решение за по-лесното засичане на микропластмаси е използването на биосензори. Това са системи, които откриват различни вещества чрез биологични процеси. Биологичната част в тях може да е най-различна – от сравнително прости вещества, през по-сложни биомолекули, до цели клетъчни структури. Някои биосензори са вече добре наложени – например антигенните тестове, които придобиха масова популярност след появата на COVID-19. Продължение на този похват е използването на цели организми. Най-често това са бактерии заради малкия им размер, простата им биология и лесното им отглеждане. За разлика от технологиите, в които се използват отделни молекули, тук вече има достъп до целия биологичен апарат на организмите и до всички биохимични процеси, протичащи в тях.

Пример за това е нов генноредактиран щам бактерии, който може да бъде използван за засичане на микропластмаса във води. В бактериите е направена минимална намеса чрез вмъкване на две нови за тях ДНК последователности. Едната е свързана с клетъчната стена на бактериите и е отговорна за засичането на парченцата пластмаса. При контакт с тях тя активира другата ДНК последователност и така започва синтез на зелен флуоресциращ протеин (GFP), който често се използва за визуализация на процеси в клетките.

Първоначално бактериите са изпитани в лабораторни условия върху най-различни видове субстрат. Ако се поставят в епруветки с пясък или стъкло, те не флуоресцират, но ако бъдат изложени на различни видове пластмаса, в рамките на три часа в тях се натрупва GFP, който може да бъде отчетен. За симулация на употребата му в реални условия биосензорът е изпробван с морска вода, която, очаквано, е замърсена с микропластмаси. Интересното е, че след анализа ѝ с помощта на микроспектроскопия се оказва, че замърсяванията са основно от биоразградими пластмаси, върху каквито към момента бактериите не са изпитвани, което показва по-широко действие от предвиденото. Допълнително предимство на системата е, че тя може да се използва за установяване не само на наличието на пластмасови частици, но и на тяхната концентрация, тъй като интензитетът на светлината е правопропорционален на количеството им.

Биосензорът обещава бърз и икономичен метод за количествено определяне на широк набор микропластмаси и подобно на бързите антигенни тестове за COVID-19 има потенциал да предостави възможност за по-интензивно изпитване на различни водоизточници. Това ще помогне за откриване на особено замърсени места, както и за проследяване на източниците на замърсяване.

Биоинженерна пластмаса

Несъмнено замърсяването с пластмаса е сериозен екологичен проблем, който допълнително се разраства от производството на подобни материали, разчитащо на петролни суровини. За съжаление, пластмасите са неразривно свързани със съвременното ни ежедневие и редица продукти не биха били възможни без тях. Поради това търсенето на екологични алтернативи е изключително активно, като особено се ценят биоразградимите пластмаси, за чието производство се използват биологични суровини.

Пример за такава суровина е PDCA (пиридинкарбоксилна киселина) – мономер, който може да се използва за изработката на пластмаса, сходна на PET – материала, познат ни от бутилките за минерална вода. В зависимост от „рецептата“ за приготвяне на полимера, свойствата му могат да се адаптират спрямо конкретното му приложение, като някои варианти дори имат по-висока якост от традиционните пластмаси. Уви, химическият синтез на PDCA е сложен – към момента няма процес със задоволителен добив.

Добри новини идват от Япония, където екип от Университета в Кобе е разработил нов метод за производство на мономера чрез прецизна ферментация. Учените използват добре познатата бактерия E. coli като малка химическа фабрика, в която вмъкват два биосинтетични пътя. Така бактериите придобиват способността да преобразуват глюкозата от хранителната си среда в PDCA. Това не е първото биоинженерно производство на тази суровина – основите са положени преди 10 години, но новата разработка значително подобрява добива.

След установяването на работеща процедура в лабораторни условия екипът насочва усилията си към оптимизацията на процеса за по-мащабно производство. Потенциален проблем е нуждата от добавяне на вещества в хранителната среда, които спират натрупването на водороден пероксид в бактериите. Той е токсичен за тях, но се образува като вторичен продукт на един от новите гени. Учените вече имат идеи как могат да се справят с него – чрез по-прецизна регулация на този ген или чрез подмяната му със сходен, при който не се отделя толкова пероксид.

Използването на растителни отпадъци като суровина за биологично производство на биоразградими пластмаси звучи съвсем футуристично, но подобни разработки показват, че сме изключително близко до това. Освен че са по-щадящи за природата, тези суровини са и по-икономични. Наред с това те дават възможност за създаване на полимери, които имат по-добри свойства от използваните в момента. Биоинженерството и прецизните ферментации могат да се окажат в авангарда не само на производството на хранителни продукти и лекарства, но и на подобни иновативни материали.

Веднъж месечно Михаил Ангелов – биолог, агроном и любим нърд от нашия екип, ни представя най-интересните скорошни новини от различни сфери на науката и обяснява защо тези постижения са толкова значими за света и човечеството. Или най-малкото – любопитни и забавни.