Зеленое и экономичное: секретирующие бактерии устраняют барьеры стоимости производства возобновляемого биотоплива

Исследовательская группа из Института Biodesign при Университете штата Аризона разработала процесс, устраняющий ключевое препятствие для производства недорогого возобновляемого биотоплива из бактерий. Команда перепрограммировала фотосинтезирующие микробы для секреции высокоэнергетических жиров, что упрощает извлечение побочных продуктов и их преобразование в биотопливо, делая процесс потенциально более коммерчески жизнеспособным.

"Реальные затраты при любом производстве биотоплива связаны со сбором полезных продуктов и превращением их в топливо", — сказал Рой Кертисс из Центра инфекционных заболеваний и вакцинологии Института. "Вся разработанная нами система — это способ экологичного извлечения материалов, не требующий энергозависимых физических или химических процессов".

Кертисс входит в большую междисциплинарную команду ASU, которая занимается оптимизацией фотосинтезирующих микробов, называемых цианобактериями, в качестве возобновляемого источника биотоплива. Эти микробы легко генетически модифицировать, и они имеют потенциально более высокую урожайность, чем любые сельскохозяйственные культуры, используемые в настоящее время для производства транспортного топлива.

Однако до сих пор извлечение жиров из микробов требовало множества дорогостоящих дополнительных этапов обработки, на которые приходилось до 70–80% от общей стоимости производства их возобновляемого биотоплива, что делало его неконкурентоспособным по сравнению с затратами на добычу нефти.

Цианобактерии имеют прочный защитный набор внешних мембран, который помогает им выживать даже в суровых условиях, создавая часто встречающуюся в бассейнах тину. Как и растения, они зависят от солнечного света, воды и углекислого газа для роста.

Чтобы заставить цианобактерии легче высвобождать свой ценный груз с высоким содержанием жира, Кертисс и постдокторант Синьяо Лю ввели в фотосинтезирующие бактерии набор генов, продуцирующих ферменты для расщепления мембранных липидов, проделывая отверстия в мембранах для высвобождения свободных жирных кислот в воду. В результате умной генетической перепрограммировки клеток ферменты вырабатываются только тогда, когда из их среды удаляется углекислый газ — жизненно важный компонент для роста бактерий.

"Сначала мы высвобождали жирные кислоты, вызывая самоуничтожение бактерий добавлением никеля", — сказал Лю, — "но это не очень хорошо для окружающей среды. Поэтому на этот раз мы сделали это более умным способом — прекратив подачу углекислого газа. Стратегия, не требующая добавления реагентов для извлечения топлива из биомассы, разработана для радикального снижения затрат на обработку".

"Генетика — очень мощный инструмент", — добавил Лю, недавно представивший результаты на 3-м Ежегодном всемирном саммите по водорослям в Сан-Диего, Калифорния. "Мы создали очень гибкую систему, которой можем тонко управлять. Научив цианобактерии выделять топливо, мы не хотим терять полезные липиды в фотосинтетических мембранах, поэтому разработали более экологичный способ утилизации оставшейся ценности этой биофабрики".

Команда протестировала расщепляющие жиры ферменты, называемые липазами, бактериального, грибкового и морского свиного происхождения, чтобы определить, какие работают лучше. Эти липазы работают как молекулярные ножницы, отщепляя жирные кислоты от фотосинтетических мембран. Они также работали над оптимизацией условий роста для своего метода "зеленого" извлечения, тестируя такие переменные, как плотность клеточной культуры микробов, интенсивность света и перемешивание культур.

Изобретательность команды отчасти заключается в их способности использовать весь доступный природный инструментарий. "Благодаря быстрому секвенированию ДНК и публичным базам данных генов мы теперь можем использовать этот обширный и постоянно растущий запас генетических последовательностей с мощными компьютерными методами поиска, чтобы идентифицировать лучшие гены и белки с оптимальными функциями и возможностями независимо от их происхождения — у микробов, растений и животных", — сказал Кертисс. "Это как быть ребенком в кондитерской размером со штат Аризона и найти самое вкусное лакомство почти за то время, что нужно, чтобы щелкнуть пальцами!"

Проект также является ярким примером междисциплинарного, совместного духа исследований ASU, объединяющего опыт бактериологов, молекулярных биологов и инженеров. Другими ключевыми участниками были коллеги из Biodesign Сара Фэллон и Цзе Шэн.

Далее группа протестирует свои результаты в крупномасштабных фотобиореакторах, которые разрабатываются инженерами из Центра экологической биотехнологии Swette института для оптимального сбора свободных жирных кислот. В конечном итоге команда надеется добиться разработки нового, экономичного и экологически чистого, углеродно-нейтрального источника биотоплива.

"Мы оптимистично настроены, что сможем улучшить систему, что приведет к коммерциализации нашего метода "зеленого" извлечения в сочетании с другими технологиями", — сказал Лю.

Проект был частью стратегических исследовательских инвестиций штата Аризона, направленных на стимулирование новых инноваций, которые могут способствовать развитию будущих экологичных и локальных отраслей промышленности. Обильное круглогодичное солнце и теплые температуры штата идеально подходят для выращивания цианобактерий.