Kunstig cyanobakteriel biofilm kan opretholde produktionen af ​​grøn ethylen i over en måned

Vor tids store globale udfordringer, herunder klimaforandringer, energisikkerhed og knaphed på naturressourcer, fremme en overgang fra den lineære fossilbaserede økonomi til den bæredygtige biobaserede cirkulære økonomi. At tage dette skridt kræver yderligere udvikling af nye teknologier til produktion af vedvarende brændstoffer og kemikalier.

Fotosyntetiske mikroorganismer, såsom cyanobakterier og alger, viser et stort potentiale for at tilfredsstille vores efterspørgsel efter vedvarende kemikalier og reducere den globale afhængighed af fossile brændstoffer. Disse mikroorganismer har evnen til at udnytte solenergi til at omdanne CO ₂ til biomasse og en række forskellige energirige organiske forbindelser. Cyanobakterier er også i stand til at holde nye syntetiske produktionsveje, der gør det muligt for dem at fungere som levende cellefabrikker til produktion af målrettede kemikalier og brændstoffer.

Ethylen er et af de vigtigste organiske råvarekemikalier med en årlig global efterspørgsel på mere end 150 millioner tons. Det er den vigtigste byggesten i produktionen af ​​plastik, fibre og andre organiske materialer.

"I vores forskning, vi brugte den gensplejsede cyanobakterie Synechocystis sp. PCC 6803, der udtrykker det ethylen-dannende enzym (EFE) erhvervet fra plantepatogenet, Pseudomonas syringae. Tilstedeværelsen af ​​EFE i cyanobakterieceller gør dem i stand til at producere ethylen ved hjælp af solenergi og CO ₂ fra luften, " siger lektor Allahverdiyeva-Rinne.

Ethylen har en høj energitæthed, der gør det til en attraktiv brændstofkilde. I øjeblikket, ethylen produceres via dampkrakning af fossile kulbrinteråstoffer, hvilket fører til en enorm udledning af CO ₂ ind i miljøet. Derfor, det er vigtigt at udvikle grønne metoder til syntetisering af ethylen.

"Selvom der er rapporteret meget lovende resultater om ethylen-producerende rekombinante cyanobakterier, den samlede effektivitet af de tilgængelige fotoproduktionssystemer er stadig meget lav til industrielle applikationer. Ethylenproduktiviteten af ​​manipulerede cyanobakterier er den mest kritiske variabel for at reducere omkostningerne og forbedre effektiviteten, " siger postdoktor Sindhujaa Vajravel.

Imidlertid, cyanobakterier har flere begrænsninger for effektiv produktion, da de primært akkumulerer biomasse, ikke de ønskede produkter.

"De har en kæmpe fotosyntetisk lys-høstende antenne, der fører til selvskygge og begrænset lysfordeling i suspensionskulturer, hvilket reducerer produktiviteten. Den største begrænsning er, at cellernes produktionsperiode er kort, kun få dage, " forklarer Allahverdiyeva-Rinne.

For at løse disse to problemer, forskere fanget ethylen-producerende cyanobakterielle celler i tyndtlags alginatpolymermatrix. Denne tilgang begrænser cellevækst stærkt, dermed engagere effektiv flux af fotosyntetiske metabolitter til ethylenbiosyntese. Det forbedrer også lysudnyttelsen under dårlige lysforhold og fremmer kraftigt cellekonditionen. Som resultat, de kunstige biofilm opnåede bæredygtig fotoproduktion af ethylen i op til 40 dage med en lys-til-ethylen-konverteringseffektivitet, der er 3,5 gange højere end i konventionelle suspensionskulturer.

Disse resultater åbner op for nye muligheder for videreudvikling af effektive faststoffotosyntetiske cellefabrikker til ethylenproduktion og opskalering af processen til det industrielle niveau.