Forskere skræddersyr E. coli til at omdanne planter til vedvarende kemikalier

Hvad har jetbrændstof til fælles med strømpebukser og sodavandsflasker af plast? De er alle produkter, der i øjeblikket er afledt af petroleum. Sandia National Laboratories forskere har demonstreret en ny teknologi baseret på bioingeniørbakterier, der kan gøre det økonomisk muligt at producere alle tre fra vedvarende plantekilder.

Økonomisk og effektiv omdannelse af hårdt plantemateriale, kaldet lignin, har længe været en stopklods for en bredere anvendelse af energikilden og gøre den omkostningskonkurrencedygtig. Sammenkobling af mekanismer fra andre kendte lignin-nedbrydere, Sandia bioingeniør Seema Singh og to postdoktorale forskere, Weihua Wu, nu hos Lodo Therapeutics Corp., og Fang Liu, har konstrueret E. coli til en effektiv og produktiv biokonverteringscellefabrik.

"Årevis, vi har undersøgt omkostningseffektive måder at nedbryde lignin og omdanne det til værdifulde platformskemikalier, " sagde Singh. "Vi anvendte vores forståelse af naturlige lignin-nedbrydningsmidler til E. coli, fordi den bakterie vokser hurtigt og kan overleve barske industrielle processer."

Arbejdet, "Mod Engineering E coli med et autoregulerende system til lignin-valorisering, "blev for nylig offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences og blev støttet af Sandias Laboratory Directed Research and Development-program.

Konstruere en kostbar proces til rentabilitet

Lignin er den del af plantecellevæggene, der giver dem deres utrolige styrke. Det er fyldt med energi, men at komme til den energi er så dyr og kompleks, at det resulterende biobrændstof ikke kan konkurrere økonomisk med andre former for transportenergi.

Når den var brudt sammen, lignin har andre gaver at give i form af værdifulde platformkemikalier, der kan omdannes til nylon, plast, lægemidler og andre værdifulde produkter. Fremtidig forskning kan fokusere på at demonstrere produktionen af ​​disse produkter, da de kunne hjælpe med at bringe biobrændstof og bioproduktionsøkonomi i balance. Eller som Singh udtrykker det, "de valoriserer lignin."

Løsning af tre problemer:omkostninger, toksicitet og hastighed

Singh og hendes team har løst tre problemer med at omdanne lignin til platformskemikalier. Den første var omkostninger. E coli producerer typisk ikke de enzymer, der er nødvendige for konverteringsprocessen. Forskere skal lokke bakterierne til at lave enzymerne ved at tilføje noget, der kaldes en inducer til fermenteringsbouillonen. Selvom det er effektivt, til aktivering af enzymproduktion, inducere kan være så dyre, at de er uoverkommelige for bioraffinaderier.

Løsningen var at "omgå behovet for en dyr inducer ved at konstruere E. coli, så lignin-afledte forbindelser såsom vanillin tjener som både substrat og inducer" sagde Singh.

Vanillin er ikke et oplagt valg til at erstatte en inducer. Forbindelsen dannes ved at lignin nedbrydes og kan, ved højere koncentrationer, hæmme selve E coli arbejder på at konvertere det. Dette udgjorde det andet problem:toksicitet.

"Vores teknik vender problemet med substrattoksicitet på hovedet ved at muliggøre netop det kemikalie, der er giftigt for E coli at starte den komplekse proces med ligninvalorisering. Når vanillinen i fermenteringsbouillonen aktiverer enzymerne, det E coli begynder at omdanne vanillin til katekol, vores ønskede kemikalie, og mængden af ​​vanillin når aldrig et giftigt niveau, " sagde Singh. "Den regulerer automatisk."

Det tredje problem var effektivitet. Mens vanillinet i fermenteringsbouillonen bevæger sig hen over cellernes membraner for at blive omdannet af enzymerne, det var langsomt, passiv bevægelse. Forskerne ledte efter effektive transportører fra andre bakterier og mikrober for at hurtig spore denne proces, Sagde Wu.

"Vi lånte et transportdesign fra en anden mikrobe og konstruerede det til E coli , som hjælper med at pumpe vanillinen ind i bakterierne, " sagde Liu. "Det lyder ret simpelt, men det krævede en masse finjustering for at få alt til at fungere sammen."

Tekniske løsninger som disse, som overvinder toksicitets- og effektivitetsproblemer har potentiale til at gøre biobrændstofproduktion økonomisk rentabel. Den eksterne inducer-fri, autoregulerende metode til valorisering af lignin er blot én måde, hvorpå forskere arbejder på at optimere biobrændstoffremstillingsprocessen.

"Vi har fundet denne brik i ligninvaloriseringspuslespillet, giver et godt udgangspunkt for fremtidig forskning i skalerbar, omkostningseffektive løsninger, " sagde Singh. "Nu kan vi arbejde på at producere større mængder platformskemikalier, ingeniørveje til nye slutprodukter, og overvejer andre mikrobielle værter end E coli . "