Scientists have shown a new technology in which bioengineered bacteria can make cost-effective chemicals/polymers from renewable растение източници
Лигнин is a material which is a constituent of cell wall of all dry land plants. It is the second most abundant natural polymer after cellulose. This material is the only polymer found in plants which is not composed of carbohydrate (захар) monomers. Lignocellulose biopolymers provide shape, stability, strength and rigidity to plants. Lignocellulose biopolymers consist of three main components: cellulose and hemicellulose form a framework in which lignin is incorporated as a kind of connector thus solidifying the cell wall. Cell wall lignification makes plants resistant to wind and pests and helps them from rotting. Lignin is a vast but very underutilized renewable resource of energy. Lignin which represents up to 30 percent of the lignocellulose biomass is an unexploited treasure – at least from a chemical point of view. The chemical industry depends mostly on carbon compounds for creating different products like paint, artificial fibres, fertilizers and most importantly plastic. This industry does use some renewable resources like vegetable oil, starch, cellulose etc but this comprises only 13 percent of all compounds.
Лигнин, обещаваща алтернатива на петрола за производството на продукти
In fact, lignin is the one and only source of renewable on earth that contains a large number of aromatic compounds. This is of importance because aromatic compounds are generally extracted from the non-renewable source petroleum and then are used to produce пластмаси, paints etc. Thus, the potential of lignin is very high. In comparison to petroleum which is a non-renewable fossil fuel, lignocelluloses are derived from дърво, straw or Miscanthus which are renewable sources. Lignin can be grown in fields and forests and are generally neutral towards the climate. Lignocelluloses is being considered as a serious alternative to petroleum in past few decades. Petroleum drives the chemical industry at present. Petroleum is a raw material for many basic chemicals which are then used to produce useful products. But petroleum is non-renewable source and is dwindling, therefore focus needs to be on finding renewable sources. This brings lignin into the picture as appears to be a very promising alternative.
Лигнинът е пълен с висока енергия, но извличането на тази енергия е сложен и скъп процес и по този начин дори се генерира биогориво, тъй като крайният резултат обикновено е много скъп и не може икономически да замени използваната в момента „транспортна енергия“. Проучени са много подходи за разработване на рентабилни начини за разграждане на лигнин и превръщането му в ценни химикали. Въпреки това, няколко ограничения ограничават преобразуването на материята на докосването на растенията като лигнин, за да се използва като алтернативен източник на енергия или дори да се опита да го направи по-рентабилен. Неотдавнашно проучване успешно създаде бактерии (E. Coli) да действат като ефективна и продуктивна фабрика за биоконверсия на клетки. Бактериите растат и се размножават много бързо и са в състояние да издържат на тежки промишлени процеси. Тази информация беше комбинирана с разбиране на естествено наличните разградители на лигнин. Работата е публикувана в Сборник на Националната академия на науките в САЩ.
The team of researchers led by Dr Seema Singh at the Sandia National Laboratories solved three main problems that are encountered in turning lignin into platform chemicals. The first major hurdle is that бактерии E.Coli generally does not produce the enzymes which are needed for conversion. Scientists tend to solve this problem of making enzymes by adding an “inducer” to the fermentation ring. These inducers are effective but are very expensive and thus do not fit well in the concept of biorefineries. Researchers tried a concept wherein a lignin derived compound like vanilla was used as a substrate as well as an inducer by engineering the бактерии E.Coli. This would bypass the need for an expensive inducer. Though, as the group discovered, vanilla wasn’t a good choice particularly because once lignin breaks down, vanilla is produced in large quantities and it starts inhibiting the function of E.Coli i.e. vanilla starts creating toxicity. But this worked in their favour when they engineered the бактерии. In the new scenario, the very chemical that is toxic to the E.Coli is used to initiate the complex process of “lignin valorisation”. Once vanilla is present, it activates the enzymes and bacteria starts to convert vanillin into catechol, which is the desired chemical. Also, the amount of vanillin never reaches the toxic level as it gets autoregulated in the current system. The third and final problem was of the efficiency. The system of conversion was slow and passive thus researchers looked into more effective transporters from other bacteria and engineered them into E. Coli which then fast tracked the process. Overcoming toxicity and efficiency problems by such innovative solutions can help make the production of biofuel a more economical process. And, removal of an external inducer along with incorporation of auto-regulation can further optimize the biofuel-making process.
Добре установено е, че след като лигнинът се разгради, той има способността да осигурява или по-скоро да „предоставя“ ценни химикали на платформата, които след това могат да бъдат превърнати в найлон, пластмаси, фармацевтични продукти и други важни продукти, които в момента се извличат от петрол, който не е -възобновяем източник на енергия. Това проучване е уместно като стъпка към проучване и разработване на рентабилни решения за биогорива и биопроизводство. Използвайки биоинженерна технология, ние можем да произвеждаме по-големи количества химикали за платформа и няколко други нови крайни продукта, не само с бактериална E.Coli, но и с други микробни гостоприемници. Бъдещите изследвания на авторите ще се съсредоточат върху демонстрирането на икономично производство на тези продукти. Това изследване има огромно влияние върху процесите на генериране на енергия и разширяването на гамата от възможности за зелени продукти. Авторите отбелязват, че в близко бъдеще лигноцелулозата определено трябва да допълни петрола, ако не и да го замести.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
Източник (и)
Wu W et al. 2018. Към инженерство на E. coli с авторегулаторна система за валоризация на лигнин“, Производството на Националната академия на науките. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
