Oamenii de știință au demonstrat o nouă tehnologie în care bacteriile bioinginerești pot produce substanțe chimice/polimeri rentabile din surse regenerabile. plantă surse
Lignină este un material care este un component al peretelui celular al tuturor plantelor uscate. Este al doilea cel mai abundent polimer natural după celuloză. Acest material este singurul polimer găsit în plante care nu este compus din carbohidrați (zahăr) monomeri. Biopolimerii de lignoceluloză oferă plantelor formă, stabilitate, rezistență și rigiditate. Biopolimerii de lignoceluloză sunt formați din trei componente principale: celuloza și hemiceluloza formează un cadru în care lignina este încorporată ca un fel de conector solidificând astfel peretele celular. Lignificarea peretelui celular face plantele rezistente la vânt și dăunători și le ajută să nu putrezească. Lignina este o resursă de energie regenerabilă vastă, dar foarte subutilizată. Lignina care reprezintă până la 30 la sută din biomasa lignocelulozei este o comoară neexploatată – cel puțin din punct de vedere chimic. Industria chimică depinde în principal de compușii de carbon pentru a crea diferite produse precum vopsea, fibre artificiale, îngrășăminte și, cel mai important, plastic. Această industrie folosește unele resurse regenerabile, cum ar fi uleiul vegetal, amidonul, celuloza etc., dar aceasta cuprinde doar 13% din toți compușii.
Lignina, o alternativă promițătoare la petrol pentru fabricarea produselor
De fapt, lignina este singura și singura sursă de energie regenerabilă de pe pământ care conține un număr mare de compuși aromatici. Acest lucru este important deoarece compușii aromatici sunt în general extrași din petrolul neregenerabil și apoi sunt utilizați pentru a produce materiale plastice, vopsele etc. Astfel, potențialul ligninei este foarte mare. În comparație cu petrolul care este un combustibil fosil neregenerabil, lignocelulozele sunt derivate din lemn, paie sau Miscanthus care sunt surse regenerabile. Lignina poate fi cultivată în câmpuri și păduri și este în general neutră față de climă. Lignoceluloza este considerată o alternativă serioasă la petrol în ultimele decenii. Petrolul conduce industria chimică în prezent. Petrolul este o materie primă pentru multe substanțe chimice de bază care sunt apoi folosite pentru a produce produse utile. Dar petrolul este o sursă neregenerabilă și este în scădere, prin urmare, trebuie să se concentreze asupra găsirii surselor regenerabile. Acest lucru aduce lignina în imagine, deoarece pare a fi o alternativă foarte promițătoare.
Lignina este plină de energie ridicată, dar recuperarea acestei energii este complicată și este un proces costisitor și, prin urmare, chiar și biocombustibilul generat ca rezultat final are în general un cost foarte ridicat și nu poate înlocui din punct de vedere economic „energia de transport” utilizată în prezent. Au fost cercetate multe abordări pentru a dezvolta modalități rentabile de descompunere a ligninei și de a o transforma în substanțe chimice valoroase. Cu toate acestea, mai multe limitări au restricționat conversia unei plante tactile, cum ar fi lignina, pentru a fi folosită ca sursă alternativă de energie sau chiar au încercat să o facă mai rentabilă. Un studiu recent a conceput cu succes bacteriile (E. Coli) pentru a acționa ca o fabrică de celule de bioconversie eficientă și productivă. Bacteriile cresc și se multiplică foarte repede și sunt capabili să reziste proceselor industriale dure. Aceste informații au fost combinate cu înțelegerea degradatorilor de lignină disponibili în mod natural. Lucrarea a fost publicată în Proceedings of the National Academy of Science USA.
Echipa de cercetători condusă de Dr. Seema Singh de la Sandia National Laboratories a rezolvat trei probleme principale care se întâlnesc în transformarea ligninei în substanțe chimice de platformă. Primul obstacol major este că bacterii E.Coli, în general, nu produce enzimele necesare pentru conversie. Oamenii de știință tind să rezolve această problemă de a produce enzime prin adăugarea unui „inductor” la inelul de fermentație. Acești inductori sunt eficienți, dar sunt foarte scumpi și, prin urmare, nu se încadrează bine în conceptul de biorafinării. Cercetătorii au încercat un concept în care un compus derivat de lignină, cum ar fi vanilia, a fost folosit ca substrat, precum și ca inductor prin proiectarea bacterii E coli. Acest lucru ar evita necesitatea unui inductor scump. Deși, după cum a descoperit grupul, vanilia nu a fost o alegere bună, mai ales pentru că odată ce lignina se descompune, vanilia este produsă în cantități mari și începe să inhibe funcția E.Coli, adică vanilia începe să creeze toxicitate. Dar acest lucru a funcționat în favoarea lor când au proiectat bacterii. În noul scenariu, substanța chimică care este toxică pentru E.Coli este utilizată pentru a iniția procesul complex de „valorizare a ligninei”. Odată ce vanilia este prezentă, activează enzimele și bacteriile încep să transforme vanilina în catecol, care este substanța chimică dorită. De asemenea, cantitatea de vanilină nu atinge niciodată nivelul toxic, deoarece devine autoreglată în sistemul actual. A treia și ultima problemă a fost cea a eficienței. Sistemul de conversie a fost lent și pasiv, astfel că cercetătorii au căutat transportatori mai eficienți de la alte bacterii și i-au proiectat în E. Coli, care apoi a urmărit rapid procesul. Depășirea problemelor de toxicitate și eficiență prin astfel de soluții inovatoare poate contribui la transformarea producției de biocombustibil într-un proces mai economic. Și, îndepărtarea unui inductor extern împreună cu încorporarea autoreglementării poate optimiza și mai mult procesul de fabricare a biocombustibililor.
Este bine stabilit că, odată ce lignina este descompusă, aceasta are capacitatea de a furniza sau mai degrabă de a „acorda” substanțe chimice valoroase de platformă care pot fi apoi transformate în nailon, materiale plastice, produse farmaceutice și alte produse importante care sunt în prezent derivate din petrol, un -sursa regenerabila de energie. Acest studiu este relevant pentru a fi un pas către cercetarea și dezvoltarea de soluții rentabile pentru biocombustibil și bioproducție. Folosind tehnologia de bioinginerie, putem produce cantități mai mari de substanțe chimice ale platformei și alte câteva produse finale noi, nu doar cu E.Coli bacterian, ci și cu alte gazde microbiene. Cercetările viitoare ale autorilor se vor concentra pe demonstrarea unei producții economice a acestor produse. Această cercetare are un impact uriaș asupra proceselor de generare a energiei și extinderea gamei de posibilități pentru produsele verzi. Autorii remarcă că, în viitorul apropiat, lignoceluloza ar trebui să completeze cu siguranță petrolul, dacă nu să-l înlocuiască.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
Wu W și colab. 2018. Către ingineria E. coli cu un sistem de autoreglare pentru valorizarea ligninei', Proceedings al Academiei Nationale de Stiinte. 115(12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
