A tudósok egy új technológiát mutattak be, amellyel a biológiailag módosított baktériumok költséghatékony vegyszereket/polimereket tudnak előállítani megújuló forrásokból. növény források
A lignin olyan anyag, amely minden szárazföldi növény sejtfalának alkotóeleme. A cellulóz után a második legnagyobb mennyiségben előforduló természetes polimer. Ez az anyag az egyetlen olyan polimer, amely a növényekben megtalálható, és amely nem tartalmaz szénhidrátot (cukor) monomerek. A lignocellulóz biopolimerek formát, stabilitást, szilárdságot és merevséget biztosítanak a növényeknek. A lignocellulóz biopolimerek három fő komponensből állnak: a cellulóz és a hemicellulóz olyan vázat alkotnak, amelybe a lignin egyfajta csatlakozóként épül be, megszilárdítva a sejtfalat. A sejtfal lignifikációja ellenállóvá teszi a növényeket a széllel és a kártevőkkel szemben, és megvédi őket a rothadástól. A lignin egy hatalmas, de nagyon kihasználatlan megújuló energiaforrás. A lignocellulóz-biomassza 30 százalékát kitevő lignin kiaknázatlan kincs – legalábbis kémiai szempontból. A vegyipar leginkább a szénvegyületektől függ különböző termékek, például festékek, műszálak, műtrágyák és legfőképpen a műanyagok előállításához. Ez az iparág bizonyos megújuló erőforrásokat használ, például növényi olajat, keményítőt, cellulózt stb., de ez az összes vegyület mindössze 13 százalékát teszi ki.
Lignin, ígéretes alternatívája a kőolajnak a termékek előállításához
Valójában a lignin az egyetlen megújuló forrás a Földön, amely nagyszámú aromás vegyületet tartalmaz. Ez azért fontos, mert az aromás vegyületeket általában a nem megújuló kőolajból vonják ki, majd felhasználják műanyag, festékek stb. Így a lignin potenciálja nagyon magas. A kőolajhoz képest, amely nem megújuló fosszilis tüzelőanyag, a lignocellulózt faipari, szalma vagy Miscanthus amelyek megújuló források. A lignin szántóföldeken és erdőkben termeszthető, és általában semleges az éghajlattal szemben. A lignocellulózt az elmúlt évtizedekben a kőolaj komoly alternatívájának tekintik. Jelenleg a kőolaj hajtja a vegyipart. A kőolaj számos alapvető vegyi anyag nyersanyaga, amelyeket aztán hasznos termékek előállítására használnak fel. De a kőolaj nem megújuló forrás, és egyre fogy, ezért a megújuló források megtalálására kell összpontosítani. Ez a lignint hozza be a képbe, amely nagyon ígéretes alternatívának tűnik.
A lignin tele van nagy energiával, de ennek az energia visszanyerése bonyolult és költséges folyamat, így még a keletkező bioüzemanyag is általában nagyon költséges, és nem tudja gazdaságosan helyettesíteni a jelenleg használt „szállítási energiát”. Számos megközelítést kutattak a lignin lebontásának és értékes vegyi anyagokká történő átalakításának költséghatékony módszereinek kifejlesztésére. Számos korlátozás azonban korlátozza az érintéses növényi anyagok, például a lignin átalakítását alternatív energiaforrásként való felhasználásra, vagy akár költséghatékonyabbá tételére is. Egy közelmúltban végzett tanulmány sikeresen módosította a baktériumokat (E. Coli), hogy hatékony és produktív biokonverziós sejtgyárként működjenek. Baktériumok nagyon gyorsan nőnek és többszörösek, és képesek ellenállni a kemény ipari folyamatoknak. Ezt az információt kombinálták a természetesen elérhető ligninbontó anyagok ismeretével. A mű megjelent a Proceedings of the National Academy of Science USA.
A Dr. Seema Singh által vezetett kutatócsoport a Sandia National Laboratories-ban három fő problémát oldott meg, amelyek a lignin platform vegyi anyagokká alakítása során merültek fel. Az első nagy akadály az baktériumok Az E. Coli általában nem termeli az átalakuláshoz szükséges enzimeket. A tudósok az enzimek előállításának ezt a problémáját úgy oldják meg, hogy „induktort” adnak a fermentációs gyűrűhöz. Ezek az induktorok hatékonyak, de nagyon drágák, ezért nem illeszkednek jól a biofinomítók koncepciójába. A kutatók egy olyan koncepciót próbáltak ki, amelyben egy ligninből származó vegyületet, például vaníliát használnak szubsztrátként, valamint induktorként a baktériumok E. Coli. Ez megkerülné a drága induktor szükségességét. Bár, mint a csoport felfedezte, a vanília nem volt jó választás, különösen azért, mert a lignin lebomlása után a vanília nagy mennyiségben termelődik, és elkezdi gátolni az E. Coli működését, azaz a vanília mérgező hatást okoz. De ez a javukra vált, amikor megtervezték a baktériumok. Az új forgatókönyv szerint az E. Colira mérgező vegyszert használják a „lignin-valorizáció” összetett folyamatának elindítására. Amint vanília van jelen, aktiválja az enzimeket, és a baktériumok elkezdik a vanillint katekollá alakítani, ami a kívánt vegyi anyag. Ezenkívül a vanillin mennyisége soha nem éri el a toxikus szintet, mivel a jelenlegi rendszerben automatikusan szabályozódik. A harmadik és egyben utolsó probléma a hatékonysággal volt. A konverziós rendszer lassú és passzív volt, így a kutatók más baktériumok hatékonyabb transzportereit vizsgálták, és E. Coli-ba alakították át, amely aztán gyorsan követte a folyamatot. A toxicitási és hatékonysági problémák ilyen innovatív megoldásokkal való leküzdése hozzájárulhat ahhoz, hogy a bioüzemanyag-előállítás gazdaságosabb folyamat legyen. A külső induktor eltávolítása és az önszabályozás beépítése tovább optimalizálhatja a bioüzemanyag-előállítási folyamatot.
Közismert, hogy a lignin lebontása után képes értékes vegyi anyagokat biztosítani, vagy inkább „ajándékozni” a platformon, amelyeket aztán nejlonná, műanyaggá, gyógyszerré és más fontos termékekké lehet alakítani, amelyek jelenleg kőolajból származnak. -megújuló energiaforrás. Ez a tanulmány fontos lépést jelent a bioüzemanyag és biotermelés költséghatékony megoldásainak kutatása és fejlesztése felé. Biomérnöki technológiával nagyobb mennyiségben tudunk platformkemikáliát és számos más új végterméket előállítani, nemcsak bakteriális E.Colival, hanem más mikrobiális gazdaszervezetekkel is. A szerzők jövőbeni kutatása e termékek gazdaságos előállításának bemutatására irányul. Ez a kutatás óriási hatással van az energiatermelési folyamatokra és a zöld termékek lehetőségeinek bővülésére. A szerzők megjegyzik, hogy a közeljövőben a lignocellulóznak mindenképpen ki kell egészítenie a kőolajat, ha nem helyettesítenie kell.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
Wu W et al. 2018. Az E. coli kifejlesztése felé a lignin-valorizációs autoregulációs rendszerrel. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115. (12) bekezdése alapján. https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
