Наука в новостях

Открытие линий связи между учеными-исследователями и более широким сообществом

Поиск

• Страница СИТН в Facebook
• Твиттер-канал SITN
• Страница СИТН в Instagram
• Лекции SITN на YouTube
• Подкаст SITN на SoundCloud
• Подпишитесь на список рассылки SITN
• RSS-канал веб-сайта SITN

15 декабря 2012 г.

Синтетическая биология для топлива

Ископаемое топливо заканчивается

С середины девятнадцатого века люди постепенно освоили открытие, добычу и сжигание ископаемого топлива. Ископаемое топливо — это остатки организмов, в основном густые заросли растений возрастом более 500 миллионов лет, которые были погребены под тяжелыми слоями отложений и медленно нагревались и сжимались в условиях отсутствия кислорода в богатые углеродом отложения. В настоящее время они используются в качестве источника энергии почти для всех современных систем транспорта и производства электроэнергии.

Есть много причин, по которым сейчас это считается неустойчивым. Топливо на основе ископаемых — это всего лишь остатки фотосинтетической деятельности, которая когда-то происходила на поверхности земли в течение сотен миллионов лет, когда растения преобразовывали солнечную энергию и углекислый газ в биомассу. Однако, сжигая весь этот углерод очень быстро, мы возвращаем в атмосферу углекислый газ, оксиды серы и азота в очень высоких концентрациях и темпах, которые не могут быть уравновешены естественными циклами планеты. Следовательно, мы начинаем наблюдать несколько побочных эффектов этого накопления, включая глобальное потепление и увеличение числа случаев астмы и легочных заболеваний.

Очевидно, что, поскольку мы сжигаем топливо со скоростью, намного превышающей скорость его создания, мы в конце концов исчерпаем его. По большинству оценок, под землей осталось запасов нефти и газа на 50-100 лет.Таким образом, поиск возобновляемых видов топлива хорошо мотивирован.

Тон проблема возобновляемых видов топлива

Солнечная энергия является наиболее распространенным доступным возобновляемым ресурсом, и фотосинтез является отличным образцом того, как эта энергия может быть преобразована в химическую энергию (которая представляет собой энергию, хранящуюся в химических связях, соединяющих атомы вместе в материи). В конце концов, способность превращать солнечный свет в топливо всегда приводила в действие человеческие общества, начиная с использования дров в качестве основного топлива и заканчивая использованием угля, нефти и газа. Поэтому естественно, что в поисках устойчивости мы возвращаемся к солнцу и фотосинтезу, чтобы преобразовать его энергию в биотопливо.

Суммарная падающая на землю солнечная энергия превышает энергию, потребляемую человечеством в мире, в несколько тысяч раз [1]. Однако двумя основными проблемами при сборе этой энергии являются ее рассеянный характер и низкая эффективность ее захвата и хранения. Солнечный свет рассеивается двумя способами — он распространяется в широком диапазоне длин волн (свойство света, проявляющееся в разных цветах света, несущих разное количество энергии), а также распространяется по поверхности земли.

Одним из способов получения этой солнечной энергии является биотопливо. Биотопливо — это топливо, которое по химическому составу похоже на бензин и дизельное топливо, но производится путем переработки сельскохозяйственных культур, водорослей или микробной культуры. Углерод в биотопливе поступает из углекислого газа, который растения превращают в биомассу посредством фотосинтеза. Следовательно, сжигание их для получения энергии не добавляет чистого углекислого газа в атмосферу, что делает их «углеродно-нейтральными». Однако, по некоторым оценкам, нам потребуется площадь, равная четверти всей земли, используемой сегодня для сельского хозяйства в США, для производства достаточного количества биотоплива, чтобы удовлетворить потребности американского транспорта в топливе [1].Таким образом, легко увидеть, что для того, чтобы производство биотоплива не конкурировало с производством продуктов питания и другими видами землепользования, необходимо гораздо более эффективное биологическое преобразование солнечного света в химические вещества. Синтетическая биология может быть частью ответа.

Что такое синтетическая биология?

На заре своего существования биология в основном занималась наблюдением за тем, как действуют и выживают целые организмы. Но за последние 6-7 десятилетий биология претерпела революционную трансформацию благодаря пониманию молекулярных процессов, лежащих в основе работы клеток и организмов. Синтетическая биология — это новая область биологической инженерии, целью которой является использование и развитие наших огромных скачков в молекулярном понимании биологических систем, чтобы упростить и сделать более систематическим перепроектирование микроорганизмов, растений, животных и водорослей, воздействуя на их генетический материал.

Молекулярная биология показала, что существует множество общих и основных генетических мотивов, которые комбинируются бесчисленными способами, создавая блестящее разнообразие жизни на Земле. Теперь, когда мы знаем некоторые из этих основных частей, инженеры начинают пытаться создавать новые биологические функции, перестраивая эти части по новым схемам. Методы синтетической биологии могут, например, помочь сделать растения более устойчивыми к засухе и вредителям за счет искусственного усиления генов, отвечающих за эти задачи. Примером может служить гибридная кукуруза DroughtGard, засухоустойчивый сорт, разработанный Monsanto [2] для производства белка (cspB), который помогает бактериям справляться с жарой, холодом и засухой. Аналогичным образом инженеры теперь могут создавать дрожжи и бактерии, способные преобразовывать значительное количество шелухи растений в этанол или масла, которые затем можно использовать в качестве топлива [3]. Синтетическая биология может стать воплощением мечты заводчиков.То, чего традиционные селекционеры редко достигают после того, как поколения поколений смешивали сорта растений и отбирали их по разным признакам, синтетическая биология предлагает возможность быстро сконструировать в лаборатории, просто напрямую вводя в организмы гены для получения желаемых признаков.

Делаем топливо быстрее и дешевле

Производство биотоплива включает в себя несколько интересных дизайнерских решений для синтетических биологов. К ним относятся выбор организмов для создания и выбор элементов их генетической структуры, с которыми можно возиться. Микробы являются фаворитом многих исследователей, поскольку их относительно легко и дешево выращивать в лабораториях. Рабочий процесс большинства инженеров включает в себя повторение цикла «проектирование-строительство-испытание», который можно выполнить быстрее и дешевле на микробах, чем на более крупных предприятиях. Однако работа с растениями имеет то преимущество, что они более совместимы с текущими сельскохозяйственными установками. Фотосинтезирующие микробы, такие как водоросли и цианобактерии, часто нуждаются в специально разработанных для них реакторах, которые требуют перекачки большого количества воды и требуют сложного обслуживания.

Как только выбор организма сделан, фактическая инженерия выполняется по двум основным направлениям. Предпринимаются усилия по увеличению эффективности захвата солнечного света и углекислого газа, чтобы организмы могли расти быстрее, и, во-вторых, по изменению химического состава, в который эти организмы вырастают. В то время как растения или микробы обычно преобразуют солнечный свет и углекислый газ в свою биомассу (в основном в форме таких веществ, как сахара и белки), ученые пытаются сконструировать их для производства и выделения маслянистых веществ, жирных кислот, спиртов и т. д. Это химические вещества, которые переносят гораздо больше энергии на фунт и гораздо лучше подходят для использования в качестве топлива, чем клеточная биомасса.

Многие биологи-синтетики также пытаются получить гетеротрофных микробов (тех, которые не могут производить себе пищу с помощью фотосинтеза, а вместо этого нуждаются в подкормке органическими соединениями) для преобразования биомассы растений в пригодное для использования топливо.Таким образом, создание биотоплива будет включать двухэтапный подход к производству топлива, при котором растения сначала разрабатывают так, чтобы они росли как можно быстрее, а затем измельчают и скармливают E. coli, дрожжам и т. д., которые преобразуют эту биомассу. в этанол и другие виды топлива. Усилия по производству кукурузного этанола с помощью искусственных дрожжей в последнее время стали популярными, и их можно считать продолжением того, что пивовары и солодовщики делали на протяжении столетий. Синтетическая биология стремится сделать этот процесс во много раз более эффективным и лучше подходящим для топлива, такого как октан, который можно использовать для работы существующих бензиновых двигателей гораздо эффективнее, чем этанол, что имеет решающее значение для перехода от ископаемого топлива к биотопливу. как можно проще.

Проблемы, перспективы и взгляд в будущее

Синтетическая биология, обещающая стать средством придания организмам желаемых свойств, по понятным причинам сталкивается с противоречиями. Критика варьируется от опасений по поводу экологических последствий создания «супержуков» в лабораториях до этических вопросов о попытках людей играть разумных переконструкторов естественных существ. Безопасность и воздействие на окружающую среду являются очень важными соображениями, которые ученые уже активно пытаются решать, лишая эти организмы возможности расти вне контролируемых условий лаборатории, фермы или биореактора. С точки зрения этического вопроса можно возразить, что большинство инженеров не обязательно создают новые «неестественные» объекты — они просто используют репертуар очень мощных биологических функций, созданных природой, и перестраивают их, почти так же, как садовник выбирает желаемые черты при разведении цветов. Поскольку синтетическая биология находится только на ранних стадиях своего развития, будет важно привлечь все заинтересованные стороны к обоснованному рассмотрению всех возможных проблем, а также к открытому и демократическому обсуждению темпов и масштабов, в которых мы, как общество, будем заниматься синтетической биологией.При правильном решении этих вопросов синтетическая биология может еще выполнить свое обещание в качестве пути вперед в наших поисках чистого, устойчивого топлива.

Гайрик Сачдева — аспирант в области биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук.

Использованная литература:

[1] Сэвидж, Д.Ф., Уэй, Дж., Сильвер, Пенсильвания. (2008) Дефоссилирование топлива: как синтетическая биология может преобразовать производство биотоплива. Химическая биология ACSДэвид Ф. Сэвидж, Джеффри Уэй и Памела А. Сильвер. Химическая биология ACS 3 (1): 12-16.

[2] Стекер Т. и ClimateWire. «Усилия по созданию засухоустойчивой кукурузы показывают положительные первые результаты», журнал Scientific American (27 июля 2012 г.) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=drought-tolerant-corn-trials-show-positive-early- полученные результаты

[3] «Введение в биоэнергетику», Объединенный институт биоэнергетики, Беркли http://www.jbei.org/bioenergy.html

Ссылки по теме:

[1] Хатсон, Дж. «Объяснение синтетической биологии», techNyouvids (9 августа 2011 г.) http://www.youtube.com/watch?v=rD5uNAMbDaQ.

[2] Центр инженерных исследований синтетической биологии (Synberc) http://www.synberc.org/

[3] Объединенный институт биоэнергетики, Беркли http://www.jbei.org/bioenergy.html

Поделись этим:

• Нажмите, чтобы распечатать (открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы отправить ссылку другу по электронной почте (откроется в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на Facebook (открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Твиттере (откроется в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на Reddit (открывается в новом окне)