Учените показаха нова технология, при която биоинженерни бактерии могат да произвеждат рентабилни химикали/полимери от възобновяеми растение източници
Лигнин е материал, който е съставна част на клетъчната стена на всички сухоземни растения. Това е вторият най-разпространен естествен полимер след целулозата. Този материал е единственият полимер, открит в растенията, който не е съставен от въглехидрати (захар) мономери. Лигноцелулозните биополимери осигуряват форма, стабилност, здравина и твърдост на растенията. Лигноцелулозните биополимери се състоят от три основни компонента: целулоза и хемицелулоза образуват рамка, в която лигнинът е включен като вид съединител, като по този начин втвърдява клетъчната стена. Лигнификацията на клетъчните стени прави растенията устойчиви на вятър и вредители и ги предпазва от гниене. Лигнинът е огромен, но много недостатъчно използван възобновяем източник на енергия. Лигнинът, който представлява до 30 процента от лигноцелулозната биомаса, е неизползвано съкровище – поне от химическа гледна точка. Химическата промишленост зависи най-вече от въглеродните съединения за създаването на различни продукти като бои, изкуствени влакна, торове и най-важното пластмаса. Тази индустрия наистина използва някои възобновяеми ресурси като растително масло, нишесте, целулоза и т.н., но това включва само 13 процента от всички съединения.
Лигнин, обещаваща алтернатива на петрола за производството на продукти
Всъщност лигнинът е единственият възобновяем източник на земята, който съдържа голям брой ароматни съединения. Това е важно, тъй като ароматните съединения обикновено се извличат от невъзобновяем петрол и след това се използват за производство пластмаси, бои и т.н. Следователно потенциалът на лигнина е много висок. В сравнение с петрола, който е невъзобновяемо изкопаемо гориво, лигноцелулозите се извличат от дърво, слама или мискантус, които са възобновяеми източници. Лигнинът може да се отглежда в полета и гори и като цяло е неутрален към климата. Лигноцелулозата се разглежда като сериозна алтернатива на петрола през последните няколко десетилетия. Петролът движи химическата индустрия в момента. Петролът е суровина за много основни химикали, които след това се използват за производството на полезни продукти. Но петролът е невъзобновяем източник и намалява, следователно фокусът трябва да бъде върху намирането на възобновяеми източници. Това поставя лигнина в картината, тъй като изглежда много обещаваща алтернатива.
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.
Екипът от изследователи, ръководен от д-р Seema Singh от Националните лаборатории Sandia, реши три основни проблема, които се срещат при превръщането на лигнина в платформени химикали. Първото голямо препятствие е това бактерии E.Coli обикновено не произвежда ензимите, които са необходими за превръщането. Учените са склонни да решат този проблем с производството на ензими чрез добавяне на „индуктор“ към ферментационния пръстен. Тези индуктори са ефективни, но са много скъпи и следователно не се вписват добре в концепцията за биорафинериите. Изследователите изпробваха концепция, при която производно на лигнин съединение като ванилия се използва като субстрат, както и като индуктор, чрез инженерство на бактерии E.Coli. Това ще заобиколи нуждата от скъп индуктор. Въпреки това, както групата откри, ванилията не е добър избор, особено защото след като лигнинът се разпадне, ванилията се произвежда в големи количества и започва да инхибира функцията на E.Coli, т.е. ванилията започва да създава токсичност. Но това работи в тяхна полза, когато проектират бактерии. В новия сценарий, самият химикал, който е токсичен за E.Coli, се използва за иницииране на сложния процес на „валоризация на лигнин“. След като ванилията присъства, тя активира ензимите и бактериите започват да превръщат ванилина в катехол, който е желаният химикал. Освен това количеството ванилин никога не достига токсичното ниво, тъй като се регулира автоматично в настоящата система. Третият и последен проблем беше ефективността. Системата за преобразуване е бавна и пасивна, така че изследователите са търсили по-ефективни транспортери от други бактерии и са ги проектирали в E. Coli, която след това бързо е проследила процеса. Преодоляването на проблемите с токсичността и ефективността чрез такива новаторски решения може да помогне производството на биогориво да стане по-икономичен процес. И премахването на външен индуктор заедно с включването на авторегулация може допълнително да оптимизира процеса на производство на биогориво.
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
