Znanstvenici su pokazali novu tehnologiju u kojoj bioinženjeringom bakterije mogu napraviti isplative kemikalije/polimere iz obnovljivih izvora biljka izvori
lignin je materijal koji je sastavni dio stanične stijenke svih kopnenih biljaka. To je drugi najzastupljeniji prirodni polimer nakon celuloze. Ovaj materijal je jedini polimer pronađen u biljkama koji nije sastavljen od ugljikohidrata (šećer) monomeri. Biopolimeri lignoceluloze daju biljkama oblik, stabilnost, snagu i krutost. Biopolimeri lignoceluloze sastoje se od tri glavne komponente: celuloza i hemiceluloza tvore okvir u koji je ugrađen lignin kao neka vrsta veziva čime se učvršćuje stanična stijenka. Lignifikacija stanične stijenke čini biljke otpornima na vjetar i štetočine te ih štiti od truljenja. Lignin je golem, ali nedovoljno iskorišten obnovljivi izvor energije. Lignin koji predstavlja do 30 posto biomase lignoceluloze neiskorišteno je blago – barem s kemijskog gledišta. Kemijska industrija uglavnom ovisi o spojevima ugljika za stvaranje različitih proizvoda poput boja, umjetnih vlakana, gnojiva i što je najvažnije plastike. Ova industrija koristi neke obnovljive izvore poput biljnog ulja, škroba, celuloze itd., ali to čini samo 13 posto svih spojeva.
Lignin, obećavajuća alternativa nafti za proizvodnju proizvoda
Naime, lignin je jedini obnovljivi izvor na zemlji koji sadrži veliki broj aromatskih spojeva. Ovo je važno jer se aromatski spojevi općenito ekstrahiraju iz neobnovljivih izvora nafte i zatim se koriste za proizvodnju plastika, boje itd. Stoga je potencijal lignina vrlo visok. U usporedbi s naftom koja je neobnovljivo fosilno gorivo, lignoceluloze se dobivaju iz drvo, slama ili miscanthus koji su obnovljivi izvori. Lignin se može uzgajati u poljima i šumama i općenito je neutralan prema klimi. Lignoceluloze se u posljednjih nekoliko desetljeća smatraju ozbiljnom alternativom nafti. Nafta danas pokreće kemijsku industriju. Nafta je sirovina za mnoge osnovne kemikalije koje se zatim koriste za proizvodnju korisnih proizvoda. Ali nafta je neobnovljivi izvor i sve je manje, stoga se treba usredotočiti na pronalaženje obnovljivih izvora. Ovo dovodi lignin u sliku jer se čini kao alternativa koja obećava.
Lignin je pun velike energije, ali dohvat te energije je kompliciran i skup proces, pa se čak i stvara biogorivo jer je krajnji rezultat općenito vrlo visok trošak i ne može ekonomski zamijeniti "transportnu energiju" koja se trenutno koristi. Istraženi su mnogi pristupi za razvoj isplativih načina razgradnje lignina i pretvaranja u vrijedne kemikalije. Međutim, nekoliko ograničenja ograničilo je pretvorbu biljne tvari dodira kao što je lignin da se koristi kao alternativni izvor energije ili čak pokušati učiniti isplativijom. Nedavna studija uspješno je konstruirala bakterije (E. Coli) da djeluju kao učinkovita i produktivna tvornica stanica za biokonverziju. Bakterije rastu i razmnožavaju se vrlo brzo i sposobni su izdržati oštre industrijske procese. Ove informacije su kombinirane s razumijevanjem prirodno dostupnih razgradivača lignina. Rad je objavljen u Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti SAD.
Tim istraživača predvođen dr. Seemom Singh iz Sandia National Laboratories riješio je tri glavna problema koji se javljaju pri pretvaranju lignina u platformske kemikalije. Prva velika prepreka je ta bakterija E. Coli općenito ne proizvodi enzime koji su potrebni za pretvorbu. Znanstvenici nastoje riješiti ovaj problem stvaranja enzima dodavanjem "induktora" u fermentacijski prsten. Ovi induktori su učinkoviti, ali su vrlo skupi i stoga se ne uklapaju dobro u koncept biorafinerija. Istraživači su isprobali koncept u kojem se spoj izveden iz lignina poput vanilije koristi kao supstrat, ali i induktor, inženjeringom bakterija E coli. Time bi se zaobišla potreba za skupim induktorom. Iako, kako je skupina otkrila, vanilija nije bila dobar izbor, posebno jer kada se lignin razgradi, vanilija se proizvodi u velikim količinama i počinje inhibirati funkciju E.Coli, tj. vanilija počinje stvarati toksičnost. Ali to im je išlo u prilog kada su projektirali bakterija. U novom scenariju, sama kemikalija koja je toksična za E. Coli koristi se za pokretanje složenog procesa "valorizacije lignina". Kada je vanilija prisutna, ona aktivira enzime i bakterije počinju pretvarati vanilin u katehol, što je željena kemikalija. Također, količina vanilina nikada ne doseže toksičnu razinu jer se u trenutnom sustavu automatski regulira. Treći i posljednji problem bio je učinkovitost. Sustav pretvorbe bio je spor i pasivan pa su istraživači tražili učinkovitije prijenosnike iz drugih bakterija i projektirali ih u E. Coli koja je zatim brzo pratila proces. Prevladavanje problema toksičnosti i učinkovitosti takvim inovativnim rješenjima može pomoći da proizvodnja biogoriva postane ekonomičniji proces. A uklanjanje vanjskog induktora zajedno s ugradnjom autoregulacije može dodatno optimizirati proces proizvodnje biogoriva.
Dobro je poznato da nakon što se lignin razgradi, on ima sposobnost osigurati ili bolje reći "pokloniti" vrijedne kemikalije platforme koje se zatim mogu pretvoriti u najlon, plastiku, farmaceutske proizvode i druge važne proizvode koji se trenutno dobivaju iz nafte, koja nije -obnovljivi izvor energije. Ova je studija relevantna kao korak prema istraživanju i razvoju isplativih rješenja za biogorivo i bioproizvodnju. Koristeći tehnologiju bioinženjeringa možemo proizvesti veće količine platformskih kemikalija i nekoliko drugih novih krajnjih proizvoda, ne samo s bakterijskom E.Coli nego i s drugim mikrobnim domaćinima. Buduća istraživanja autora će se usredotočiti na pokazivanje ekonomične proizvodnje ovih proizvoda. Ovo istraživanje ima veliki utjecaj na procese proizvodnje energije i proširenje raspona mogućnosti za zelene proizvode. Autori primjećuju da bi u bliskoj budućnosti lignoceluloza definitivno trebala nadopuniti naftu, ako ne i zamijeniti je.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
Wu W i sur. 2018. Prema inženjerstvu E. coli s autoregulacijskim sustavom za valorizaciju lignina', Zbornik National Academy of Sciences. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
