Навукоўцы паказалі новую тэхналогію, у якой біяінжынерныя бактэрыі могуць вырабляць эканамічна эфектыўныя хімічныя рэчывы/палімеры з аднаўляльных крыніц завод крыніц
лігнін гэта матэрыял, які ўваходзіць у склад клетачнай сценкі ўсіх сухіх раслін. Гэта другі па распаўсюджанасці прыродны палімер пасля цэлюлозы. Гэты матэрыял - адзіны палімер, знойдзены ў раслінах, які не складаецца з вугляводаў (цукар) манамеры. Біяпалімеры лігнацэлюлозы забяспечваюць форму, стабільнасць, трываласць і калянасць раслін. Біяпалімеры лігнацэлюлозы складаюцца з трох асноўных кампанентаў: цэлюлоза і геміцэлюлоза ўтвараюць аснову, у якую ўключаны лігнін як своеасаблівы злучальны сродак, умацоўваючы клеткавую сценку. Лігніфікацыя клеткавых сценак робіць расліны ўстойлівымі да ветру і шкоднікаў і дапамагае ім ад гніення. Лігнін - велізарны, але вельмі недастаткова выкарыстоўваны аднаўляльны рэсурс энергіі. Лігнін, які складае да 30 працэнтаў біямасы лігнацэлюлозы, з'яўляецца невыкарыстоўваным скарбам - прынамсі, з хімічнага пункту гледжання. Хімічная прамысловасць у асноўным залежыць ад злучэнняў вугляроду для стварэння розных прадуктаў, такіх як фарбы, штучныя валокны, угнаенні і, самае галоўнае, пластык. Гэтая галіна сапраўды выкарыстоўвае некаторыя аднаўляльныя рэсурсы, такія як раслінны алей, крухмал, цэлюлоза і г.д., але яны складаюць толькі 13 працэнтаў усіх злучэнняў.
Лігнін, перспектыўная альтэрнатыва нафты для вытворчасці прадуктаў
Па сутнасці, лігнін - гэта адзіная на зямлі аднаўляльная крыніца, якая змяшчае вялікую колькасць араматычных злучэнняў. Гэта важна, таму што араматычныя злучэнні звычайна здабываюцца з неаднаўляльных крыніц нафты, а затым выкарыстоўваюцца для вытворчасці пластыкі, фарбы і г. д. Такім чынам, патэнцыял лігніну вельмі высокі. У параўнанні з нафтай, якая з'яўляецца неаднаўляльным выкапнёвым палівам, лігнацэлюлозу атрымліваюць з дрэва, салома або міскантус, якія з'яўляюцца аднаўляльнымі крыніцамі. Лігнін можна вырошчваць на палях і ў лясах і ў цэлым нейтральны да клімату. У апошнія некалькі дзесяцігоддзяў лігнацэлюлозы разглядаюцца як сур'ёзная альтэрнатыва нафце. У цяперашні час нафта рухае хімічную прамысловасць. Нафта з'яўляецца сыравінай для многіх асноўных хімічных рэчываў, якія затым выкарыстоўваюцца для вытворчасці карысных прадуктаў. Але нафта з'яўляецца неаднаўляльнай крыніцай і скарачаецца, таму трэба засяродзіцца на пошуку аднаўляльных крыніц. Гэта робіць лігнін у карціне, як уяўляецца вельмі перспектыўнай альтэрнатывай.
Лігнін змяшчае высокую энергію, але атрыманне гэтай энергіі з'яўляецца складаным і дарагім працэсам, і, такім чынам, нават атрыманае біяпаліва ў канчатковым выніку вельмі высокае па кошце і не можа эканамічна замяніць «энергію транспарту», якая выкарыстоўваецца ў цяперашні час. Было даследавана шмат падыходаў для распрацоўкі эканамічна эфектыўных спосабаў расшчаплення лігніну і ператварэння яго ў каштоўныя хімічныя рэчывы. Тым не менш, некалькі абмежаванняў абмежавалі пераўтварэнне раслінных матэрыялаў, такіх як лігнін, у якасці альтэрнатыўнай крыніцы энергіі або нават спробы зрабіць іх больш эканамічна эфектыўнымі. Нядаўняе даследаванне паспяхова спраектавала бактэрыі (E. Coli) у якасці эфектыўнай і прадуктыўнай фабрыкі клетак для біяканверсіі. Бактэрыі растуць і множацца вельмі хутка, і яны здольныя вытрымліваць жорсткія прамысловыя працэсы. Гэтая інфармацыя была аб'яднана з разуменнем даступных у прыродзе дэградатараў лігніну. Твор апублікаваны ў в Працы Нацыянальнай акадэміі навук ЗША.
Каманда даследчыкаў пад кіраўніцтвам доктара Сімы Сінгх з Нацыянальнай лабараторыі Сандыя вырашыла тры асноўныя праблемы, якія ўзнікаюць пры ператварэнні лігніну ў хімікаты платформы. Першая сур'ёзная перашкода ў тым, што бактэрыі E.Coli звычайна не выпрацоўвае ферменты, неабходныя для пераўтварэння. Навукоўцы схільныя вырашаць гэтую праблему выпрацоўкі ферментаў, дадаючы «індуктар» у брадзільнае кольца. Гэтыя індуктары эфектыўныя, але вельмі дарагія і, такім чынам, не ўпісваюцца ў канцэпцыю біяачышчальных заводаў. Даследчыкі апрабавалі канцэпцыю, у якой злучэнне, атрыманае з лігніну, такое як ваніль, выкарыстоўвалася ў якасці субстрата, а таксама індуктара, распрацаваўшы бактэрыі Кішачная палачка. Гэта дазволіла б абысці патрэбу ў дарагім індуктара. Аднак, як выявіла група, ваніль не была добрым выбарам, асабліва таму, што калі лігнін распадаецца, ваніль выпрацоўваецца ў вялікіх колькасцях, і яна пачынае інгібіраваць функцыю E.Coli, г.зн. ваніль пачынае ствараць таксічнасць. Але гэта спрацавала на іх карысць, калі яны распрацавалі бактэрыі. У новым сцэнарыі тое самае хімічнае рэчыва, якое з'яўляецца таксічным для кішачнай палачкі, выкарыстоўваецца для ініцыяцыі складанага працэсу «валярызацыі лігніну». Калі ваніль прысутнічае, яна актывуе ферменты, і бактэрыі пачынаюць ператвараць ванілін у катэхол, які з'яўляецца неабходным хімічным рэчывам. Акрамя таго, колькасць ваніліну ніколі не дасягае таксічнага ўзроўню, паколькі ён аўтаматычна рэгулюецца ў сучаснай сістэме. Трэцяй і апошняй праблемай была эфектыўнасць. Сістэма пераўтварэння была павольнай і пасіўнай, таму даследчыкі шукалі больш эфектыўныя транспарцёры з іншых бактэрый і сканструявалі іх у E. Coli, якая затым хутка адсочвала працэс. Пераадоленне праблем таксічнасці і эфектыўнасці з дапамогай такіх інавацыйных рашэнняў можа дапамагчы зрабіць вытворчасць біяпаліва больш эканамічным працэсам. І выдаленне вонкавага індуктара разам з уключэннем аўтарэгулявання можа дадаткова аптымізаваць працэс вытворчасці біяпаліва.
Дакладна ўстаноўлена, што пасля таго, як лігнін расшчапляецца, ён мае магчымасць забяспечваць або, дакладней, «дараваць» каштоўныя хімічныя рэчывы платформы, якія затым могуць быць ператвораны ў нейлон, пластмасы, фармацэўтычныя прэпараты і іншыя важныя прадукты, якія ў цяперашні час здабываюцца з нафты, не - аднаўляльная крыніца энергіі. Гэта даследаванне мае дачыненне да таго, што з'яўляецца крокам да даследавання і распрацоўкі эканамічна эфектыўных рашэнняў для біяпаліва і біявытворчасці. Выкарыстоўваючы тэхналогію біяінжынерыі, мы можам вырабляць большую колькасць хімічных рэчываў для платформы і некалькі іншых новых канчатковых прадуктаў не толькі з бактэрыяльнай E.Coli, але і з іншымі мікробамі-гаспадарамі. Будучыя даследаванні аўтараў павінны быць накіраваны на дэманстрацыю эканамічнай вытворчасці гэтых прадуктаў. Гэта даследаванне аказвае вялікі ўплыў на працэсы выпрацоўкі энергіі і пашырэнне спектру магчымасцей для экалагічных прадуктаў. Аўтары адзначаюць, што ў найбліжэйшай будучыні лигноцеллюлоза абавязкова павінна калі не замяніць нафту, то дапоўніць яе.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
Wu W і інш. 2018. Да распрацоўкі кішачнай палачкі з сістэмай аўтарэгуляцыі для валярызацыі лігніну», Працы Нацыянальнай акадэміі навук. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
