Hvordan sukkerelskende mikrober kan hjælpe med at drive fremtidige biler

Det lyder som moderne alkymi:At omdanne sukker til kulbrinter, der findes i benzin.

Men det er præcis, hvad videnskabsmænd har gjort.

I en kommende undersøgelse i Nature Chemistry , rapporterer forskere, at de udnytter biologiens og kemiens vidundere til at omdanne glucose (en type sukker) til olefiner (en type kulbrinte og en af ​​flere typer molekyler, der udgør benzin).

Projektet blev ledet af biokemikerne Zhen Q. Wang ved University at Buffalo og Michelle C. Y. Chang ved University of California, Berkeley.

Avisen, som udkommer den 22. november, markerer et fremskridt i bestræbelserne på at skabe bæredygtige biobrændstoffer.

Olefiner udgør en lille procentdel af molekylerne i benzin, som den produceres i øjeblikket, men den proces, holdet udviklede, kan sandsynligvis justeres i fremtiden for også at generere andre typer kulbrinter, herunder nogle af de andre komponenter i benzin, siger Wang. Hun bemærker også, at olefiner har ikke-brændstofanvendelser, da de bruges i industrielle smøremidler og som forstadier til fremstilling af plast.

En to-trins proces, der bruger sukkerspisende mikrober og en katalysator

For at fuldføre undersøgelsen begyndte forskerne med at fodre glukose til stammer af E. coli som ikke udgør en fare for menneskers sundhed.

"Disse mikrober er sukkerjunkier, endda værre end vores børn," joker Wang.

Den E. coli i eksperimenterne blev gensplejset til at producere en suite af fire enzymer, der omdanner glucose til forbindelser kaldet 3-hydroxyfedtsyrer. Da bakterierne indtog glukosen, begyndte de også at lave fedtsyrerne.

For at fuldføre transformationen brugte holdet en katalysator kaldet niobiumpentoxid (Nb2O5) til at afskære uønskede dele af fedtsyrerne i en kemisk proces, hvilket genererede det endelige produkt:olefinerne.

Forskerne identificerede enzymerne og katalysatoren gennem trial and error, idet de testede forskellige molekyler med egenskaber, der egner sig til de aktuelle opgaver.

"Vi kombinerede, hvad biologi kan gøre bedst med, hvad kemi kan gøre bedst, og vi satte dem sammen for at skabe denne to-trins proces," siger Wang, Ph.D., en assisterende professor i biologiske videnskaber ved UB College of Kunst og Videnskab. "Ved brug af denne metode var vi i stand til at lave olefiner direkte fra glukose."

Glucose kommer fra fotosyntese, som trækker CO₂ ud af luften

"At fremstille biobrændstoffer fra vedvarende ressourcer som glukose har et stort potentiale til at fremme grøn energiteknologi," siger Wang.

"Glucose produceres af planter gennem fotosyntese, som omdanner kuldioxid (CO₂ ) og vand til oxygen og sukker. Så kulstoffet i glucosen - og senere olefinerne - er faktisk fra kuldioxid, der er blevet trukket ud af atmosfæren," forklarer Wang.

Der er dog behov for mere forskning for at forstå fordelene ved den nye metode, og om den kan opskaleres effektivt til fremstilling af biobrændstoffer eller til andre formål. Et af de første spørgsmål, der skal besvares, er, hvor meget energi processen med at fremstille olefinerne forbruger; hvis energiomkostningerne er for høje, skal teknologien optimeres for at være praktisk i industriel skala.

Forskere er også interesserede i at øge udbyttet. I øjeblikket kræver det 100 glukosemolekyler at producere omkring 8 olefinmolekyler, siger Wang. Hun vil gerne forbedre dette forhold med fokus på at lokke E. coli at producere mere af 3-hydroxyfedtsyrerne for hvert gram glukose, der indtages.

Medforfattere til undersøgelsen i Nature Chemistry omfatter Wang; Chang; Heng Song, Ph.D., ved UC Berkeley og Wuhan University i Kina; Edward J. Koleski, Noritaka Hara, Ph.D., og Yejin Min ved UC Berkeley; Dae Sung Park, Ph.D., Gaurav Kumar, Ph.D., og Paul J. Dauenhauer, Ph.D., ved University of Minnesota (Park er nu på Korea Research Institute of Chemical Technology).