Ученые продемонстрировали новую технологию, с помощью которой биоинженерные бактерии могут производить экономичные химические вещества / полимеры из возобновляемых растительных источников.
лигнин Это материал, который является составной частью клеточной стенки всех сухих наземных растений. Это второй по распространенности природный полимер после целлюлозы. Этот материал является единственным полимером, обнаруженным в растениях, который не состоит из мономеров углеводов (сахаров). Биополимеры лигноцеллюлозы придают растениям форму, стабильность, прочность и жесткость. Биополимеры лигноцеллюлозы состоят из трех основных компонентов: целлюлоза и гемицеллюлоза образуют каркас, в который включен лигнин в качестве своего рода соединителя, тем самым укрепляя клеточную стенку. Лигнификация клеточных стенок делает растения устойчивыми к ветру и вредителям, предохраняет их от гниения. Лигнин — это огромный, но очень недостаточно используемый возобновляемый ресурс энергии. Лигнин, составляющий до 30 процентов биомассы лигноцеллюлозы, является неиспользованным сокровищем – по крайней мере, с химической точки зрения. Химическая промышленность в основном зависит от соединений углерода при создании различных продуктов, таких как краски, искусственные волокна, удобрения и, самое главное, пластик. В этой отрасли используются некоторые возобновляемые ресурсы, такие как растительное масло, крахмал, целлюлоза и т. д., но они составляют лишь 13 процентов всех соединений.
Лигнин, перспективная альтернатива нефти для производства продуктов
Фактически, лигнин является единственным возобновляемым источником на Земле, который содержит большое количество ароматических соединений. Это важно, потому что ароматические соединения обычно извлекаются из невозобновляемых источников нефти, а затем используются для производства пластмасс, красок и т. Д. Таким образом, потенциал лигнина очень высок. По сравнению с нефтью, которая является невозобновляемым ископаемым топливом, лигноцеллюлозы получают из древесины, соломы или мискантуса, которые являются возобновляемыми источниками. Лигнин можно выращивать в полях и лесах, и он, как правило, нейтрален по отношению к климату. В последние несколько десятилетий лигноцеллюлозы рассматриваются как серьезная альтернатива нефти. В настоящее время нефть движет химической промышленностью. Нефть - это сырье для многих основных химикатов, которые затем используются для производства полезных продуктов. Но нефть - невозобновляемый источник, и она сокращается, поэтому необходимо сосредоточить внимание на поиске возобновляемых источников. Это вносит лигнин в картину как очень многообещающую альтернативу.
Лигнин содержит большое количество энергии, но получение этой энергии является сложным и дорогостоящим процессом, и поэтому даже биотопливо, получаемое в качестве конечного результата, обычно очень дорого обходится и не может экономически заменить «транспортную энергию», используемую в настоящее время. Было исследовано множество подходов к разработке рентабельных способов расщепления лигнина и превращения его в ценные химические вещества. Тем не менее, некоторые ограничения ограничивают преобразование вещества сенсорного растения, такого как лигнин, в использование в качестве альтернативного источника энергии или даже пытаются сделать его более рентабельным. Недавнее исследование позволило успешно сконструировать бактерии (E. Coli) в качестве эффективных и продуктивных фабрик биоконверсионных клеток. Бактерии очень быстро растут и размножаются, и они способны выдерживать суровые производственные процессы. Эта информация была объединена с пониманием естественных деструкторов лигнина. Работа опубликована в Труды Национальной академии наук США.
Группа исследователей во главе с доктором Симой Сингх из Sandia National Laboratories решила три основные проблемы, с которыми сталкиваются при превращении лигнина в платформенные химические вещества. Первое серьезное препятствие заключается в том, что бактерии кишечной палочки обычно не производят ферменты, необходимые для преобразования. Ученые стремятся решить эту проблему создания ферментов, добавляя «индуктор» к ферментационному кольцу. Эти индукторы эффективны, но очень дороги и поэтому не подходят для концепции биоперерабатывающих заводов. Исследователи опробовали концепцию, в которой производное лигнина соединение, такое как ваниль, использовалось в качестве субстрата, а также в качестве индуктора, путем создания бактерий E.Coli. Это позволило бы обойтись без дорогостоящего индуктора. Хотя, как обнаружила группа, ваниль не был хорошим выбором, особенно потому, что как только лигнин распадается, ваниль вырабатывается в больших количествах, и она начинает подавлять функцию кишечной палочки, то есть ваниль начинает создавать токсичность. Но это сработало в их пользу, когда они создали бактерии. В новом сценарии, то самое химическое вещество, которое токсично для кишечной палочки, используется для запуска сложного процесса «валоризации лигнина». Когда ваниль присутствует, она активирует ферменты, и бактерии начинают превращать ванилин в катехол, который является желаемым химическим веществом. Кроме того, количество ванилина никогда не достигает токсичного уровня, поскольку в нынешней системе оно регулируется автоматически. Третья и последняя проблема заключалась в эффективности. Система преобразования была медленной и пассивной, поэтому исследователи изучали более эффективные переносчики от других бактерий и преобразовали их в E. Coli, которая затем ускорила процесс. Преодоление проблем токсичности и эффективности с помощью таких инновационных решений может помочь сделать производство биотоплива более экономичным. А удаление внешнего индуктора вместе с включением автоматической регулировки может еще больше оптимизировать процесс производства биотоплива.
Хорошо известно, что после расщепления лигнин обладает способностью обеспечивать или, скорее, «отдавать» ценные платформенные химические вещества, которые затем могут быть преобразованы в нейлон, пластмассы, фармацевтические препараты и другие важные продукты, которые в настоящее время производятся из нефти, а не из нефти. -возобновляемый источник энергии. Это исследование актуально как шаг к исследованию и разработке экономически эффективных решений для биотоплива и биопроизводства. Используя биоинженерные технологии, мы можем производить большее количество химикатов для платформ и несколько других новых конечных продуктов, причем не только с бактериальной кишечной палочкой, но и с другими микробами-хозяевами. Дальнейшие исследования авторов должны быть направлены на демонстрацию экономичного производства этих продуктов. Это исследование оказывает огромное влияние на процессы производства энергии и расширение диапазона возможностей для экологически чистых продуктов. Авторы отмечают, что в ближайшем будущем лигноцеллюлоза обязательно должна дополнить нефть, если не заменить ее.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Wu W et al. 2018. На пути к разработке E. coli с системой ауторегуляции лигнина валоризации », Труды Национальной академии наук. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
