Какова цель биотоплива, производящего батареи
В сотрудничестве под руководством исследователей из Объединенного института биоэнергетики Министерства энергетики США (JBEI) был разработан микроб, который может производить передовое биотопливо непосредственно из биомассы. Используя инструменты синтетической биологии, исследователи JBEI создали штамм кишечная палочка (кишечная палочка) бактерии для производства биодизельного топлива и других важных химических веществ, полученных из жирных кислот.
Электронная микрофотография показывает палочковидную кишечную палочку, выделяющую капли масла, содержащие биодизельное топливо, а также жирные кислоты и спирт. (Изображение Марцина Земли и Манфреда Ауэра, JBEI)
«Тот факт, что наши микробы могут производить дизельное топливо непосредственно из биомассы без дополнительных химических модификаций, интересен и важен», — говорит Джей Кислинг, главный исполнительный директор JBEI и ведущий научный авторитет в области синтетической биологии. «Учитывая, что затраты на восстановление биодизеля далеки от затрат, необходимых для дистилляции этанола, мы считаем, что наши результаты могут внести значительный вклад в достижение конечной цели производства масштабируемого и экономически эффективного передового биотоплива и возобновляемых химикатов».
Кислинг руководил сотрудничеством, которое состояло из команды из отдела синтеза топлива JBEI, в которую входили Эрик Стин, Ишенг Канг и Грегори Бокински, и команды из LS9, частной промышленной биотехнологической фирмы, базирующейся в Южном Сан-Франциско. Команду LS9 возглавлял Стивен дель Кардайр, в нее входили Чжихао Ху, Андреас Ширмер и Эми МакКлюр. Коллаборация опубликовала результаты своего исследования в номере журнала от 28 января 2010 г. Природа. Статья называется «Микробиологическое производство топлива и химических веществ на основе жирных кислот из растительной биомассы».
Сочетание постоянно растущей стоимости энергии и опасений по поводу глобального потепления создало международный императив для новых транспортных видов топлива, которые являются возобновляемыми и могут производиться устойчивым образом. Научные исследования постоянно показывают, что жидкое топливо, полученное из биомассы растений, является одной из лучших альтернатив, если можно найти экономически эффективное средство коммерческого производства. Основные исследовательские усилия в этом направлении сосредоточены на жирных кислотах — богатых энергией молекулах в живых клетках, которые называют природной нефтью.
Как только E. coli выделяют масло, они отделяются от капель, как показано на этом оптическом изображении, тем самым способствуя извлечению масла. (Изображение Эрика Стина, JBEI)
Топливо и химические вещества производятся из жирных кислот в растительных и животных маслах уже более века. Эти масла теперь служат сырьем не только для биодизельного топлива, но и для широкого спектра важных химических продуктов, включая поверхностно-активные вещества, растворители и смазочные материалы.
«Увеличенный спрос и ограниченное предложение этих масел привели к конкуренции с продуктами питания, более высоким ценам, сомнительным методам землепользования и экологическим проблемам, связанным с их производством», — говорит Кислинг. «Более масштабируемой, контролируемой и экономичной альтернативой этим видам топлива и химикатов будет микробная конверсия возобновляемого сырья, такого как углеводы, полученные из биомассы».
кишечная палочка является хорошо изученным микроорганизмом, чья естественная способность синтезировать жирные кислоты и исключительная восприимчивость к генетическим манипуляциям делают его идеальной мишенью для исследований в области биотоплива. Сочетание кишечная палочка с новыми биохимическими реакциями, реализованными с помощью синтетической биологии, позволили Кислингу, Стину и их коллегам производить структурно адаптированные эфиры жирных кислот (биодизель), спирты и воски непосредственно из простых сахаров.
«Биосинтез микробных жирных кислот производит жирные кислоты, связанные с белком-носителем, накопление которых препятствует образованию дополнительных жирных кислот», — говорит Стин. "Обычно кишечная палочка не тратит энергию на создание лишнего жира, но, отделяя жирные кислоты от их белков-носителей, мы можем разблокировать естественную регуляцию и производить большое количество жирных кислот, которые могут быть преобразованы в ряд ценных продуктов. Кроме того, мы разработали нашу кишечная палочка больше не есть жирные кислоты и не использовать их для получения энергии».
Успешно направив метаболизм жирных кислот на производство топлива и других химических веществ из глюкозы, исследователи JBEI разработали новый штамм кишечная палочка производить гемицеллюлазы — ферменты, способные ферментировать гемицеллюлозу, сложные сахара, которые являются основным компонентом целлюлозной биомассы и основным хранилищем энергии, заключенной в стенках растительных клеток.
Эрик Стин, биоинженер из подразделения JBEI по синтезу топлива, был в команде под руководством Джея Кислинга, которая разработала штамм бактерий кишечной палочки, производящий биодизель. (Фото Роя Кальчмидта, Berkeley Lab Public Relations)
«Инжиниринг кишечная палочка производить гемицеллюлазы позволяет микробам производить топливо непосредственно из биомассы растений, которые не используются в качестве пищи для людей или корма для животных», — говорит Стин. «В настоящее время биохимическая обработка целлюлозной биомассы требует дорогостоящих ферментов для высвобождения сахара. Предоставляя кишечная палочка способность ферментировать как целлюлозу, так и гемицеллюлозу без добавления дорогостоящих ферментов, мы можем улучшить экономику целлюлозного биотоплива».
В настоящее время команда JBEI работает над максимизацией эффективности и скорости, с которой их модифицированный штамм кишечная палочка может напрямую преобразовывать биомассу в биодизель. Они также ищут способы максимизировать общее количество биодизельного топлива, которое может быть произведено в результате одной ферментации.
«Производительность, титр и эффективное преобразование сырья в топливо — три наиболее важных фактора для создания микробов, которые могут производить биотопливо в промышленных масштабах», — говорит Стин. «Предстоит еще много исследований, прежде чем этот процесс станет коммерчески осуществимым».
Это исследование было поддержано фондами LS9, Inc. и программы UC Discovery Grant. Компания LS9 использует методы синтетической биологии для разработки запатентованных видов топлива UltraClean™ и экологичных химикатов. Программа UC Discovery Grant представляет собой трехстороннее партнерство между Калифорнийским университетом, частным бизнесом и штатом Калифорния, направленное на укрепление и расширение экономики Калифорнии за счет целевых областей исследований.
JBEI является одним из трех центров исследований в области биоэнергетики, финансируемых Министерством энергетики США для продвижения разработки биотоплива следующего поколения. JBEI со штаб-квартирой в Эмеривилле, Калифорния, представляет собой научное партнерство, возглавляемое Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и включающее Национальные лаборатории Сандия, кампусы Калифорнийского университета (UC) в Беркли и Дэвисе, Институт науки Карнеги (расположенный на кампус Стэнфордского университета) и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.
Berkeley Lab — национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Беркли, штат Калифорния. Он проводит несекретные научные исследования для Управления науки Министерства энергетики США и находится под управлением Калифорнийского университета. Посетите наш веб-сайт по адресу www.lbl.gov/
Дополнительная информация
