Konstrueret gær kunne udvide biobrændstoffers rækkevidde

At øge produktionen af ​​biobrændstoffer som ethanol kan være et vigtigt skridt i retning af at reducere det globale forbrug af fossile brændstoffer. Imidlertid, ethanolproduktionen er i høj grad begrænset af dets afhængighed af majs, som ikke vokser i store nok mængder til at udgøre en betydelig del af amerikansk brændstofbehov.

For at forsøge at udvide biobrændstoffers potentielle indvirkning, et team af MIT -ingeniører har nu fundet en måde at udvide brugen af ​​en bredere vifte af ikke -fødevarer til fremstilling af sådanne brændstoffer. I øjeblikket, råvarer som halm og træplanter er vanskelige at bruge til produktion af biobrændstoffer, fordi de først skal nedbrydes til gærbare sukkerarter, en proces, der frigiver mange biprodukter, der er giftige for gær, de mikrober, der oftest bruges til at producere biobrændstoffer.

MIT -forskerne udviklede en måde at omgå denne toksicitet, gør det muligt at bruge disse kilder, som er meget mere rigelige, at producere biobrændstoffer. De viste også, at denne tolerance kan konstrueres til gærstammer, der bruges til fremstilling af andre kemikalier, muligvis muliggør brug af "celluloseagtigt" træligt plantemateriale som kilde til fremstilling af biodiesel eller bioplast.

"Det, vi virkelig ønsker at gøre, er at åbne cellulose -råvarer til næsten ethvert produkt og drage fordel af den store overflod, som cellulose tilbyder, "siger Felix Lam, en MIT -forsker og hovedforfatter til det nye studie.

Gregory Stephanopoulos, Willard Henry Dow -professor i kemiteknik, og Gerald Fink, Margaret og Herman Sokol professor ved Whitehead Institute of Biomedical Research og American Cancer Society professor i genetik i MITs afdeling for biologi, er seniorforfatterne til papiret, som vises i dag i Videnskab fremskridt .

Øger tolerancen

I øjeblikket, omkring 40 procent af den amerikanske majshøst går til ethanol. Majs er primært en fødeafgrøde, der kræver meget vand og gødning, så plantemateriale kendt som cellulosebiomasse betragtes som et attraktivt, ikke -konkurrerende kilde til vedvarende brændstoffer og kemikalier. Denne biomasse, som omfatter mange typer halm, og dele af majsplanten, der typisk går ubrugt, kunne beløbe sig til mere end 1 milliard tons materiale om året, ifølge en undersøgelse fra et amerikansk energiministerium - nok til at erstatte 30 til 50 procent af den råolie, der bruges til transport.

Imidlertid, to store hindringer for brugen af ​​cellulosebiomasse er, at cellulose først skal frigøres fra den woody lignin, og cellulosen skal derefter nedbrydes yderligere til simple sukkerarter, som gær kan bruge. Den særligt aggressive forbehandling, der er nødvendig, genererer forbindelser kaldet aldehyder, som er meget reaktive og kan dræbe gærceller.

For at overvinde dette, MIT -teamet byggede på en teknik, de havde udviklet for flere år siden for at forbedre gærcellernes tolerance over for en lang række alkoholer, som også er giftige for gær i store mængder. I den undersøgelse, de viste, at spiking af bioreaktoren med specifikke forbindelser, der styrker gærens membran, hjalp gær til at overleve meget længere i høje koncentrationer af ethanol. Ved hjælp af denne tilgang, de var i stand til at forbedre det traditionelle brændstof-ethanoludbytte af en højtydende gærstam med omkring 80 procent.

I deres nye undersøgelse, forskerne konstruerede gær, så de kunne omdanne celluloseholdige aldehyder til alkoholer, giver dem mulighed for at drage fordel af den alkoholtolerancestrategi, de allerede havde udviklet. De testede flere naturligt forekommende enzymer, der udfører denne reaktion, fra flere gærarter, og identificerede en, der fungerede bedst. Derefter, de brugte rettet evolution til at forbedre den yderligere.

"Dette enzym omdanner aldehyder til alkoholer, og vi har vist, at gær kan gøres meget mere tolerant over for alkoholer som klasse end for aldehyder, ved hjælp af de andre metoder, vi har udviklet, "Siger Stephanopoulos.

Gær er generelt ikke særlig effektive til fremstilling af ethanol fra giftige celluloseholdige råstoffer; imidlertid, da forskerne udtrykte dette enzym, der præsterede bedst og spidsede reaktoren med de membranforstærkende tilsætningsstoffer, stammen mere end tredoblet sin celluloseholdige ethanolproduktion, til niveauer, der matcher traditionel majsetanol.

Rigelige råvarer

Forskerne demonstrerede, at de kunne opnå høje udbytter af ethanol med fem forskellige typer af celluloseholdige råvarer, herunder switchgrass, hvede strå, og majsstover (bladene, stilke, og skaller efterladt efter majsen er høstet).

"Med vores konstruerede stamme, du kan i det væsentlige få maksimal cellulosegæring fra alle disse råvarer, der normalt er meget giftige, "Lam siger." Det gode ved dette er, at det er ligegyldigt, om majsresterne måske ikke er så store en sæson. Du kan skifte til energistråber, eller hvis du ikke har høj tilgængelighed af sugerør, du kan skifte til en slags frugtkød, trærester. "

Forskerne konstruerede også deres aldehyd-til-ethanolenzym til en gærstamme, der er konstrueret til at producere mælkesyre, en forløber for bioplast. Som det gjorde med ethanol, denne stamme var i stand til at producere det samme udbytte af mælkesyre fra cellulosematerialer som fra majs.

Denne demonstration tyder på, at det kunne være muligt at konstruere aldehydtolerance i gærstammer, der genererer andre produkter såsom diesel. Biodiesler kan potentielt have en stor indvirkning på industrier som tung lastbil, Forsendelse, eller luftfart, som mangler et emissionsfrit alternativ som elektrificering og kræver enorme mængder fossilt brændstof.

"Nu har vi et tolerancemodul, som du kan skrue fast på næsten enhver form for produktionsvej, "Siger Stephanopoulos." Vores mål er at udvide denne teknologi til at omfatte andre organismer, der er bedre egnet til produktion af disse tunge brændstoffer, som olier, diesel, og flybrændstof. "