Что общего у топлива для реактивных двигателей, колготок и пластиковых бутылок из-под газировки? Все они в настоящее время производятся из нефти. Ученые Sandia National Laboratories продемонстрировали новую технологию, основанную на биоинженерных бактериях, которая может сделать экономически целесообразным производство всех трех продуктов из возобновляемых растительных источников.
Экономичная и эффективная переработка жесткого растительного вещества, называемого лигнином, уже давно является камнем преткновения для более широкого использования источника энергии и обеспечения его конкурентоспособности по стоимости. Собрав воедино механизмы других известных разрушителей лигнина, биоинженер Sandia Сима Сингх и два исследователя с докторской степенью, Вейхуа Ву, теперь работающий в Lodo Therapeutics Corp., и Фан Лю, превратили E. coli в эффективную и продуктивную фабрику биоконверсионных клеток.
«В течение многих лет мы исследовали экономически эффективные способы расщепления лигнина и превращения его в ценные химические вещества для платформы», - сказал Сингх. «Мы применили наши знания о естественных разлагателях лигнина к E. coli, потому что эта бактерия быстро растет и может выживать в суровых промышленных процессах».
Работа «На пути к разработке E. coli с помощью саморегулирующейся системы повышения ценности лигнина» была недавно опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America и была поддержана Лабораторией Sandia под руководством Программа исследований и разработок.
Превращение дорогостоящего процесса в рентабельность
Лигнин является компонентом клеточных стенок растений, который придает им невероятную прочность. Он полон энергии, но получение этой энергии настолько дорого и сложно, что полученное биотопливо не может экономически конкурировать с другими видами энергии для транспортировки.
После того, как лигнин расщепляется, у него есть и другие преимущества в виде ценных химических веществ, которые могут быть преобразованы в нейлон, пластмассы, фармацевтические препараты и другие ценные продукты. Будущие исследования могут быть сосредоточены на демонстрации производства этих продуктов, поскольку они могут помочь сбалансировать экономику биотоплива и биопроизводства. Или, как выразился Сингх, «они повышают ценность лигнина».
Решение трех проблем: стоимость, токсичность и скорость
Сингх и ее команда решили три проблемы, превратив лигнин в химикаты платформы. Первым была стоимость. E. coli обычно не продуцирует ферменты, необходимые для процесса конверсии. Ученые должны уговорить бактерии производить ферменты, добавляя в ферментационный бульон нечто, называемое индуктором. Хотя индукторы эффективны для активации производства ферментов, они могут быть настолько дорогими, что их нельзя использовать на биоперерабатывающих заводах.
Решение заключалось в том, чтобы «обойти потребность в дорогостоящем индукторе путем создания E. coli таким образом, чтобы производные лигнина соединения, такие как ванилин, служили и субстратом, и индуктором», - сказал Сингх.
Ванилин не является очевидным выбором для замены индуктора. Соединение образуется при распаде лигнина и может при более высоких концентрациях ингибировать ту самую E. coli, которая работает над его преобразованием. Это создало вторую проблему: токсичность.
Наши инженеры переворачивают проблему токсичности субстрата с ног на голову, позволяя тому самому химическому веществу, которое токсично для кишечной палочки, инициировать сложный процесс валоризации лигнина. Как только ванилин в ферментационном бульоне активирует ферменты, E. coli начинает преобразовывать ванилин в катехол, желаемое нами химическое вещество, и количество ванилина никогда не достигает токсического уровня», - сказал Сингх. «Он автоматически регулирует».
Третьей проблемой была эффективность. В то время как ванилин в ферментационном бульоне перемещается через мембраны клеток для преобразования ферментами, это было медленное, пассивное движение. По словам Ву, исследователи искали эффективные транспортеры от других бактерий и микробов, чтобы ускорить этот процесс.
«Мы позаимствовали конструкцию переносчика у другого микроба и внедрили ее в кишечную палочку, которая помогает накачивать ванилин в бактерии», - сказал Лю. «Это звучит довольно просто, но потребовалось много тонкой настройки, чтобы все работало вместе».
Инженерные решения, подобные этим, которые преодолевают проблемы токсичности и эффективности, могут сделать производство биотоплива экономически жизнеспособным. Не содержащий внешних индукторов саморегулирующийся метод повышения ценности лигнина - это лишь один из способов оптимизации процесса производства биотоплива, над которым работают исследователи.
«Мы нашли этот фрагмент головоломки по повышению ценности лигнина, что послужило отличной отправной точкой для будущих исследований в области масштабируемых и экономически эффективных решений», - сказал Сингх. «Теперь мы можем работать над производством большего количества химикатов для платформы, разработкой путей получения новых конечных продуктов и рассмотрением микробных хозяев, отличных от кишечной палочки».