Использование белков в качестве сырья для биотоплива и биопереработки

Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук им. Генри Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) впервые продемонстрировали возможность использования белков — одного из самых распространенных биомолекул на Земле — в качестве значимого сырья для биопереработки и производства биотоплива. Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology.

Новый подход к сырью

До сих пор для биопереработки и производства биотоплива использовались два типа сырья: углеводы (сахара, лигноцеллюлоза для этанола) и липиды (растительные масла для биодизеля). Белки, составляющие основу быстрого роста микроорганизмов, игнорировались, так как считались в основном пищей.

Преимущества белкового сырья

  • Скорость накопления белков выше, чем у целлюлозы или липидов.
  • Белковая биомасса легче переваривается микроорганизмами, чем трудноразлагаемая целлюлозная.
  • Белки не имеют проблем с переработкой, как лигноцеллюлоза, или с обезвоживанием, как липиды водорослей.
  • Белки — основной компонент быстрорастущих фотосинтезирующих микроорганизмов, способствующий фиксации CO2.

Ключевая проблема и её решение

Основная сложность — заставить микроорганизмы не использовать белки для собственного роста, а преобразовывать их в целевые соединения. Команда под руководством Джеймса С. Ляо создала искусственную метаболическую систему, которая:

  1. Перенаправляет азотный обмен: «Выбрасывает» восстановленный азот из клеток, заставляя их расщеплять белки без их утилизации для роста.
  2. Рециркулирует азот: Аммиак, полученный из белков, возвращается для выращивания водорослей, которые служат «носителем» для усвоения CO2 и производства нового белка. Это ускоряет рост и фиксацию CO2, устраняя необходимость в дорогих фото-биореакторах.

Значение технологии

  • Азотная нейтральность: Технология эффективно рециркулирует азот в процессе производства биотоплива, решая проблему загрязнения экосистем азотными удобрениями и выбросов закиси азота (N2O) — парникового газа в 300 раз мощнее CO2.
  • Эффективность использования земли: Для производства 60 млрд галлонов биотоплива (30% от текущего потребления в США) по новой технологии потребуется всего около 24 600 км² — 1.9% сельскохозяйственных земель США.

Следующие шаги

Основным препятствием для развития технологии является экономически эффективный сбор белковой биомассы. Разработка крупномасштабных систем — следующая задача исследователей.