Вчені продемонстрували нову технологію, за допомогою якої біоінженерні бактерії можуть виробляти економічно ефективні хімікати/полімери з відновлюваних джерел завод джерел
Лігнін це матеріал, який є складовою клітинної стінки всіх сухоземних рослин. Це другий за поширеністю природний полімер після целюлози. Цей матеріал є єдиним полімером, знайденим у рослинах, який не складається з вуглеводів (цукор) мономери. Біополімери лігноцелюлози забезпечують форму, стабільність, міцність і жорсткість рослин. Біополімери лігноцелюлози складаються з трьох основних компонентів: целюлоза та геміцелюлоза утворюють каркас, у який включено лігнін як своєрідний з’єднувач, таким чином зміцнюючи клітинну стінку. Лігніфікація клітинних стінок робить рослини стійкими до вітру та шкідників і запобігає їх гниттю. Лігнін є величезним, але дуже маловикористовуваним відновлюваним джерелом енергії. Лігнін, який становить до 30 відсотків лігноцелюлозної біомаси, є невикористаним скарбом – принаймні з хімічної точки зору. Хімічна промисловість здебільшого залежить від сполук вуглецю для створення різних продуктів, таких як фарби, штучні волокна, добрива та, що найважливіше, пластик. Ця галузь дійсно використовує деякі відновлювані ресурси, такі як рослинна олія, крохмаль, целюлоза тощо, але це становить лише 13 відсотків усіх сполук.
Лігнін, перспективна альтернатива нафті для виробництва продуктів
Насправді лігнін – це єдине на землі джерело відновлюваних речовин, що містить велику кількість ароматичних сполук. Це важливо, оскільки ароматичні сполуки зазвичай видобуваються з невідновлюваних джерел нафти, а потім використовуються для виробництва пластики, фарби тощо. Таким чином, потенціал лігніну дуже високий. На відміну від нафти, яка є невідновлюваним викопним паливом, лігноцелюлозу отримують з дерево, солому або міскантус, які є поновлюваними джерелами. Лігнін можна вирощувати в полях і лісах і, як правило, нейтральний до клімату. В останні кілька десятиліть лігноцелюлози розглядаються як серйозна альтернатива нафті. Нині нафта рухає хімічну промисловість. Нафта є сировиною для багатьох основних хімічних речовин, які потім використовуються для виробництва корисних продуктів. Але нафта є невідновлюваним джерелом і скорочується, тому необхідно зосередитися на пошуку відновлюваних джерел. Таким чином, лігнін стає багатообіцяючою альтернативою.
Лігнін сповнений високої енергії, але отримання цієї енергії є складним і дорогим процесом, і, таким чином, навіть утворюється біопаливо, оскільки кінцевий результат, як правило, дуже високий за вартістю і не може економічно замінити «енергію транспортування», яка зараз використовується. Було досліджено багато підходів для розробки економічно ефективних способів розщеплення лігніну та перетворення його в цінні хімічні речовини. Однак кілька обмежень обмежують перетворення рослинної речовини дотику, як-от лігнін, на використання в якості альтернативного джерела енергії або навіть намагаються зробити його більш економічно ефективним. Нещодавнє дослідження успішно сконструювало бактерії (кишкова паличка), щоб вони діяли як ефективна та продуктивна фабрика клітин біоконверсії. Бактерії ростуть і розмножуються дуже швидко, і вони здатні протистояти суворим промисловим процесам. Ця інформація була поєднана з розумінням доступних у природі деградаторів лігніну. Твір опубліковано в Праці Національної академії наук США.
Команда дослідників на чолі з доктором Сімою Сінгхом із Національної лабораторії Сандії вирішила три основні проблеми, які виникають під час перетворення лігніну на хімічні речовини платформи. Перша серйозна перешкода полягає в тому бактерії E.Coli зазвичай не виробляє ферменти, необхідні для перетворення. Вчені прагнуть вирішити цю проблему створення ферментів, додавши «індуктор» до кільця бродіння. Ці індуктори є ефективними, але дуже дорогими і тому не вписуються в концепцію біопереробних заводів. Дослідники випробували концепцію, згідно з якою сполуку, отриману з лігніну, наприклад ваніль, використовували як субстрат, а також як індуктор, розробивши бактерії E.Coli. Це дозволить уникнути необхідності використання дорогого індуктора. Хоча, як виявила група, ваніль не була хорошим вибором, особливо тому, що коли лігнін руйнується, ваніль виробляється у великих кількостях і починає пригнічувати функцію E.Coli, тобто ваніль починає створювати токсичність. Але це спрацювало на їхню користь, коли вони розробили бактерії. У новому сценарії саме хімічна речовина, яка є токсичною для кишкової палички, використовується для ініціювання складного процесу «валоризації лігніну». Коли ваніль присутня, вона активує ферменти, і бактерії починають перетворювати ванілін у катехол, який є бажаною хімічною речовиною. Крім того, кількість ваніліну ніколи не досягає токсичного рівня, оскільки він автоматично регулюється в поточній системі. Третьою і останньою проблемою була ефективність. Система перетворення була повільною та пасивною, тому дослідники шукали більш ефективні транспортери з інших бактерій і створювали їх у E. Coli, яка потім швидко відстежувала процес. Подолання проблем токсичності та ефективності за допомогою таких інноваційних рішень може допомогти зробити виробництво біопалива більш економічним процесом. І видалення зовнішнього індуктора разом із включенням авторегулювання може додатково оптимізувати процес виготовлення біопалива.
Добре відомо, що після того, як лігнін розщеплюється, він має здатність давати або, радше, «надавати» цінні хімічні речовини, які потім можуть бути перетворені в нейлон, пластмаси, фармацевтичні препарати та інші важливі продукти, які в даний час отримують з нафти, не - поновлюване джерело енергії. Це дослідження є важливим кроком до дослідження та розробки економічно ефективних рішень для біопалива та біовиробництва. Використовуючи технологію біоінженерії, ми можемо виробляти більшу кількість хімічних речовин платформи та кількох інших нових кінцевих продуктів не лише з бактеріальної кишкової палички, але й з іншими мікробними господарями. Майбутні дослідження авторів будуть спрямовані на демонстрацію економічного виробництва цих продуктів. Це дослідження має величезний вплив на процеси генерації енергії та розширення спектру можливостей зелених продуктів. Автори зауважують, що найближчим часом лігноцелюлоза неодмінно повинна доповнити нафту, якщо не замінити її.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
Wu W та ін. 2018. До розробки кишкової палички з авторегуляторною системою для валоризації лігніну», Праці Національної академії наук. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
