Vědci ukázali novou technologii, ve které mohou bioinženýrské bakterie vyrábět nákladově efektivní chemikálie/polymery z obnovitelných zdrojů. rostlina zdroje
Lignin je materiál, který je složkou buněčné stěny všech suchozemských rostlin. Je to druhý nejrozšířenější přírodní polymer po celulóze. Tento materiál je jediným polymerem nalezeným v rostlinách, který se neskládá ze sacharidů (cukr) monomery. Lignocelulózové biopolymery poskytují rostlinám tvar, stabilitu, pevnost a tuhost. Lignocelulózové biopolymery se skládají ze tří hlavních složek: celulóza a hemicelulóza tvoří kostru, ve které je lignin zabudován jako druh spojky a zpevňuje buněčnou stěnu. Lignifikace buněčné stěny činí rostliny odolnými vůči větru a škůdcům a pomáhá jim před hnilobou. Lignin je obrovský, ale velmi málo využívaný obnovitelný zdroj energie. Lignin, který tvoří až 30 procent lignocelulózové biomasy, je nevyužitým pokladem – alespoň z chemického hlediska. Chemický průmysl závisí většinou na sloučeninách uhlíku při výrobě různých produktů, jako jsou barvy, umělá vlákna, hnojiva a především plasty. Tento průmysl používá některé obnovitelné zdroje, jako je rostlinný olej, škrob, celulóza atd., ale to zahrnuje pouze 13 procent všech sloučenin.
Lignin, slibná alternativa k ropě pro výrobu produktů
Ve skutečnosti je lignin jediným obnovitelným zdrojem na zemi, který obsahuje velké množství aromatických sloučenin. To je důležité, protože aromatické sloučeniny se obecně extrahují z ropy z neobnovitelných zdrojů a poté se používají k výrobě plasty, barvy atd. Potenciál ligninu je tedy velmi vysoký. Ve srovnání s ropou, která je neobnovitelným fosilním palivem, se lignocelulózy získávají dřevo, sláma nebo Miscanthus, které jsou obnovitelnými zdroji. Lignin lze pěstovat na polích a v lesích a jsou obecně neutrální vůči klimatu. Lignocelulózy jsou v posledních desetiletích považovány za seriózní alternativu k ropě. Ropa v současnosti pohání chemický průmysl. Ropa je surovinou pro mnoho základních chemikálií, které se pak používají k výrobě užitečných produktů. Ale ropa je neobnovitelný zdroj a ubývá, proto je třeba se zaměřit na hledání obnovitelných zdrojů. To přináší lignin do obrazu, který se zdá být velmi slibnou alternativou.
Lignin je nabitý vysokou energií, ale získávání této energie je komplikovaný a nákladný proces, a tím i generované biopalivo, protože konečný výsledek je obecně velmi nákladný a nemůže ekonomicky nahradit v současnosti používanou „dopravní energii“. Bylo zkoumáno mnoho přístupů pro vývoj nákladově efektivních způsobů rozkladu ligninu a jeho přeměny na cenné chemikálie. Některá omezení však omezila přeměnu dotykové rostlinné hmoty, jako je lignin, na použití jako alternativního zdroje energie, nebo se dokonce pokusila učinit ji nákladově efektivnější. Nedávná studie úspěšně připravila bakterie (E. Coli), aby fungovaly jako účinná a produktivní biokonverzní buněčná továrna. Bakterie rostou a množí se velmi rychle a jsou schopny odolat náročným průmyslovým procesům. Tyto informace byly spojeny s pochopením přirozeně dostupných degradátorů ligninu. Práce byla publikována v Proceedings of the National Academy of Science USA.
Tým výzkumníků vedený Dr Seemou Singhem v Sandia National Laboratories vyřešil tři hlavní problémy, se kterými se setkáváme při přeměně ligninu na platformové chemikálie. První velkou překážkou je to bakterie E. coli obecně neprodukuje enzymy, které jsou potřebné pro konverzi. Vědci mají tendenci tento problém výroby enzymů řešit přidáním „induktoru“ do fermentačního kruhu. Tyto induktory jsou účinné, ale jsou velmi drahé, a proto se nehodí do konceptu biorafinerií. Výzkumníci vyzkoušeli koncept, kdy sloučenina odvozená od ligninu, jako je vanilka, byla použita jako substrát a také jako induktor tím, že sestrojila bakterie E-coli. Tím by se obešla potřeba drahého induktoru. Ačkoli, jak skupina zjistila, vanilka nebyla dobrou volbou, zejména proto, že jakmile se lignin rozpadne, vanilka se produkuje ve velkém množství a začíná brzdit funkci E. Coli, tj. vanilka začíná vytvářet toxicitu. Ale to fungovalo v jejich prospěch, když sestrojili bakterie. V novém scénáři je právě chemická látka, která je toxická pro E. Coli, použita k zahájení složitého procesu „zhodnocování ligninu“. Jakmile je vanilka přítomna, aktivuje enzymy a bakterie začnou přeměňovat vanilin na katechol, což je požadovaná chemikálie. Také množství vanilinu nikdy nedosáhne toxické úrovně, protože se v současném systému samoreguluje. Třetím a posledním problémem byla efektivita. Systém konverze byl pomalý a pasivní, takže výzkumníci hledali účinnější transportéry z jiných bakterií a zkonstruovali je do E. Coli, která pak proces rychle sledovala. Překonání problémů s toxicitou a účinností pomocí takových inovativních řešení může pomoci učinit výrobu biopaliv ekonomičtějším procesem. A odstranění externího induktoru spolu se začleněním autoregulace může dále optimalizovat proces výroby biopaliva.
Je dobře známo, že jakmile se lignin rozloží, má schopnost poskytovat nebo spíše „udělovat“ cenné základní chemikálie, které lze následně přeměnit na nylon, plasty, léčiva a další důležité produkty, které se v současnosti získávají z ropy. - obnovitelný zdroj energie. Tato studie je relevantní tím, že je krokem k výzkumu a vývoji nákladově efektivních řešení pro biopaliva a bioprodukci. Pomocí bioinženýrské technologie můžeme vyrábět větší množství platformových chemikálií a několik dalších nových konečných produktů, nejen s bakteriální E. Coli, ale také s jinými mikrobiálními hostiteli. Budoucí výzkum autorů se zaměří na prokázání ekonomické výroby těchto produktů. Tento výzkum má obrovský dopad na procesy výroby energie a rozšíření škály možností pro ekologické produkty. Autoři podotýkají, že lignocelulóza by měla v blízké budoucnosti rozhodně doplnit ropu, ne-li ji nahradit.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
Wu W a kol. 2018. Ke strojírenství E. coli s autoregulačním systémem pro zhodnocení ligninu“, Sborník Národní akademie věd. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
