Znanstveniki so pokazali novo tehnologijo, s katero lahko z bioinženiringom bakterije iz obnovljivih virov izdelajo stroškovno učinkovite kemikalije/polimere. rastlina Viri
lignin je material, ki je sestavni del celične stene vseh suhih rastlin. Je drugi najpogostejši naravni polimer za celulozo. Ta snov je edini polimer v rastlinah, ki ni sestavljen iz ogljikovih hidratov (sladkorja) monomeri. Lignocelulozni biopolimeri dajejo rastlinam obliko, stabilnost, moč in togost. Lignocelulozni biopolimeri so sestavljeni iz treh glavnih komponent: celuloza in hemiceluloza tvorita ogrodje, v katerega je vgrajen lignin kot nekakšen povezovalec in tako utrjuje celično steno. Lignifikacija celične stene naredi rastline odporne na veter in škodljivce ter jim pomaga pred gnitjem. Lignin je obsežen, a zelo premalo izkoriščen obnovljiv vir energije. Lignin, ki predstavlja do 30 odstotkov lignocelulozne biomase, je neizkoriščen zaklad – vsaj s kemijskega vidika. Kemična industrija je večinoma odvisna od ogljikovih spojin za ustvarjanje različnih izdelkov, kot so barve, umetna vlakna, gnojila in, kar je najpomembnejše, plastika. Ta industrija uporablja nekatere obnovljive vire, kot so rastlinsko olje, škrob, celuloza itd., vendar to obsega le 13 odstotkov vseh spojin.
Lignin, obetavna alternativa nafti za izdelavo izdelkov
Pravzaprav je lignin edini obnovljivi vir na zemlji, ki vsebuje veliko število aromatskih spojin. To je pomembno, ker se aromatske spojine na splošno pridobivajo iz nafte iz neobnovljivih virov in se nato uporabljajo za proizvodnjo plastika, barve itd. Tako je potencial lignina zelo velik. V primerjavi z nafto, ki je neobnovljivo fosilno gorivo, so lignoceluloze pridobljene iz les, slama ali miscanthus, ki so obnovljivi viri. Lignin se lahko goji na poljih in v gozdovih in je na splošno nevtralen do podnebja. Lignoceluloze v zadnjih nekaj desetletjih veljajo za resno alternativo nafti. Nafta trenutno poganja kemično industrijo. Nafta je surovina za številne osnovne kemikalije, ki se nato uporabljajo za proizvodnjo uporabnih izdelkov. Toda nafta je neobnovljiv vir in je vse manj, zato se je treba osredotočiti na iskanje obnovljivih virov. To prinaša lignin v sliko, saj se zdi zelo obetavna alternativa.
Lignin je poln visoke energije, vendar je pridobivanje te energije zapleten in drag proces, zato se celo proizvaja biogorivo, saj je končni rezultat na splošno zelo drag in ne more ekonomsko nadomestiti trenutno uporabljene "transportne energije". Raziskanih je bilo veliko pristopov za razvoj stroškovno učinkovitih načinov za razgradnjo lignina in njegovo pretvorbo v dragocene kemikalije. Vendar pa je več omejitev omejilo pretvorbo snovi rastline na dotik, kot je lignin, v uporabo kot alternativni vir energije ali celo poskušalo narediti stroškovno učinkovitejšo. Nedavna študija je uspešno razvila bakterije (E. Coli), da delujejo kot učinkovita in produktivna tovarna celic za biokonverzijo. Bakterije zelo hitro rastejo in se množijo ter so sposobni vzdržati ostre industrijske procese. Te informacije so bile združene z razumevanjem naravno razpoložljivih razgradnikov lignina. Delo je bilo objavljeno v Zbornik Nacionalne akademije znanosti ZDA.
Skupina raziskovalcev, ki jo vodi dr. Seema Singh v Sandia National Laboratories, je rešila tri glavne težave, s katerimi se srečujejo pri pretvarjanju lignina v platformne kemikalije. Prva večja ovira je ta bakterije E.Coli na splošno ne proizvaja encimov, ki so potrebni za pretvorbo. Znanstveniki se nagibajo k reševanju tega problema pri izdelavi encimov z dodajanjem "induktorja" v fermentacijski obroč. Ti induktorji so učinkoviti, vendar zelo dragi in zato ne ustrezajo konceptu biorafinerij. Raziskovalci so preizkusili koncept, pri katerem so spojino, pridobljeno iz lignina, kot je vanilija, uporabili kot substrat in induktor, tako da so razvili bakterije E.Coli. To bi zaobšlo potrebo po dragem induktorju. Čeprav, kot je ugotovila skupina, vanilija ni bila dobra izbira, zlasti zato, ker ko se lignin razgradi, se vanilija proizvaja v velikih količinah in začne zavirati delovanje E.Coli, tj. vanilija začne ustvarjati toksičnost. Toda to jim je šlo v prid, ko so zasnovali bakterije. V novem scenariju se za sprožitev zapletenega procesa "valorizacije lignina" uporabi prav kemikalija, ki je strupena za E.Coli. Ko je vanilija prisotna, aktivira encime in bakterije začnejo pretvarjati vanilin v katehol, ki je želena kemikalija. Poleg tega količina vanilina nikoli ne doseže toksične ravni, saj se v trenutnem sistemu samodejno regulira. Tretja in zadnja težava je bila učinkovitost. Sistem pretvorbe je bil počasen in pasiven, zato so raziskovalci iskali učinkovitejše prenašalce iz drugih bakterij in jih oblikovali v E. Coli, ki je nato hitro sledila procesu. Premagovanje težav s strupenostjo in učinkovitostjo s takšnimi inovativnimi rešitvami lahko pripomore k temu, da postane proizvodnja biogoriva bolj ekonomičen proces. In odstranitev zunanjega induktorja skupaj z vključitvijo samoregulacije lahko dodatno optimizira proces izdelave biogoriva.
Ugotovljeno je, da ima lignin, ko se razgradi, sposobnost zagotoviti ali bolje rečeno "podariti" dragocene kemikalije platforme, ki jih je mogoče nato pretvoriti v najlon, plastiko, farmacevtske izdelke in druge pomembne izdelke, ki so trenutno pridobljeni iz nafte, ki ni -obnovljiv vir energije. Ta študija je pomembna kot korak k raziskovanju in razvoju stroškovno učinkovitih rešitev za biogoriva in bioproizvodnjo. Z uporabo tehnologije bioinženiringa lahko proizvedemo večje količine platformnih kemikalij in več drugih novih končnih izdelkov, ne samo z bakterijsko E.Coli, temveč tudi z drugimi mikrobnimi gostitelji. Prihodnje raziskave avtorjev se bodo osredotočile na prikaz varčne proizvodnje teh izdelkov. Ta raziskava ima velik vpliv na procese pridobivanja energije in širjenje možnosti za zelene izdelke. Avtorji ugotavljajo, da bi morala lignoceluloza v bližnji prihodnosti zagotovo dopolnjevati nafto, če je ne nadomestiti.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
Wu W et al. 2018. K inženiringu E. coli z avtoregulacijskim sistemom za valorizacijo lignina', Zbornik National Academy of Sciences. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
