Бактерии «научили» красить джинсы

Исследователи разработали экологичный способ окрашивания ткани в синий цвет.

В качестве замены «грязному» химическому синтезу индиго ученые предложили биотехнологический процесс с участием генномодифицированных бактерий, синтезирующих предшественник красителя и фермент, расщепляющий его с образованием индиго, пишет nplus1.ru.

Несмотря на то, что в текстильной промышленности в настоящее время используется множество красителей, дающих синий оттенок, индиго до сих пор незаменим в производстве денима. В 2011 году в мире было произведено 50 тысяч тонн индиго, 95 процентов которого было использовано для окрашивания четырех миллиардов единиц джинсовой одежды.

Сам по себе индиго нерастворим в воде, поэтому в процессе окрашивания его переводят в бесцветную растворимую форму (лейкоиндиго) путем восстановления. После окрашивания ткани краситель, осевший на волокнах, обратно окисляется кислородом воздуха, в результате чего ткань приобретает синий цвет.

Индиго традиционно получали из растений, таких как индигофера и вайда красильная, но в XX веке был разработан способ химического синтеза красителя. Как промышленный способ получения вещества, так и процесс окрашивания ткани сопряжены с загрязнением окружающей среды из-за применяемых токсичных веществ, таких как формальдегид и дитионит натрия, который используется для восстановления индиго.

Чтобы заменить «грязные» процессы химического синтеза индиго и окрашивания ткани на более экологичные, исследователи с факультета биоинженерии университета Калифорнии в Беркли восстановили путь синтеза красителя из растений в бактериях.

В листьях горца красильного (Polygonum tinctorium, «японский индиго») предшественник индиго - индоксил соединяется с молекулой глюкозы, которая защищает тот от окисления и образует с индоксилом бесцветный индикан. Индикан растворим в воде и устойчив к широкому спектру условий среды, поэтому хорошо подходит для применения в текстильной промышленности. После отщепления глюкозы ферментом ?-глюкозидазой вещество окисляется и синеет. Использование индикана, полученного биотехнологическим путем, не требует этапа химического восстановления, поэтому такое производство куда более экологично.

В клетках кишечной палочки E.coli биоинженеры «собрали» путь синтеза индикана из аминокислоты триптофана путем экспрессии всего двух генов. Один из них, из морской бактерии, кодировал фермент, превращающий метаболит триптофана в индоксил, а второй, из горца красильного – фермент, навешивающий на индоксил молекулу глюкозы. Кроме того, у бактерий-продуцентов удалили собственный ген ?-глюкозидазы, расщепляющей индикан. «Укомплектованные» бактерии синтезировали индикан и выделяли его в ростовую среду.

На последнем этапе эксперимента исследователи использовали свою технологию для того, чтобы окрасить джинсовую ткань и хлопковый шарф. Ученые вырастили несколько литров культуры модифицированной кишечной палочки, удалили оттуда клетки и использовали в качестве красителя непосредственно оставшуюся среду без всякой дополнительной очистки. Образцы ткани обрабатывали индиканом, а затем неочищенным раствором ?-глюкозидазы, также полученной в лаборатории путем экспрессии в бактериях. После выдерживания на воздухе ткани приобрели синий цвет, а шарф выдержал стирку в стиральной машине практически без потери интенсивности цвета.

Примеры окрашивания индиканом кусочков джинсовой ткани индиканом по технологии, разработанной в статье (левый рисунок, верхний ряд) и по традиционной технологии окрашивания индиго (нижний ряд). Индикан без обработки ?-глюкозидазой (BGL) бесцветен, а после обработки ферментом приобретает синий цвет. Справа - хлопковый шарфик, окрашенный индиканом.

Несмотря на преимущества биотехнологического процесса с точки зрения экологии, у него есть и существенный недостаток – высокая, по сравнению с химическим синтезом, себестоимость. Однако авторы работы рассчитывают, что в ближайшие годы производство ферментов значительно подешевеет, что сделает их технологию пригодной для коммерциализации.

Ранее мы рассказывали, как ученые придали хлопку для производства одежды нужные свойства путем выращивания растений на среде с химически модифицированной глюкозой.