Биотопливо из биомассы стало ближе к реальности благодаря открытию методов управления «горячими» микробами
Главным барьером для использования лигноцеллюлозной биомассы (например, проса прутьевидного, тополя, сорго и мискантуса) для производства биотоплива является её устойчивость к разложению. Проблема заключается в конверсии или деградации сложной биомассы в целевые продукты.
Новое исследование учёных из Университета Джорджии, входящих в BioEnergy Science Center (BESC) Министерства энергетики США, предоставляет генетический метод для манипулирования группой организмов Caldicellulosiruptor. Эти бактерии способны напрямую использовать биомассу при температуре свыше 160°F (~71°C). Возможность модифицировать микробов для получения нужных топливных продуктов — это необходимый первый шаг для современных промышленных ферментаций. Это позволяет объединить природную способность потреблять возобновляемое растительное сырье с улучшенной способностью производить целевые вещества.
«Самым серьёзным барьером для использования биомассы... является способность её расщеплять. Растения эволюционировали миллионы лет, чтобы противостоять деградации микробами, а это именно то, что мы хотим сделать», — говорит Джанет Вестфелинг, микробный генетик из UGA и учёный BESC.
Исследователи разработали первые методы ДНК-трансформации для Caldicellulosiruptor — термофильных анаэробных бактерий, напрямую утилизирующих биомассу. Открытие использует уникальные для этих бактерий ферменты, чтобы преодолеть их защитный механизм от вирусов.
Ключевая новизна — обнаружение ранее неизвестной метилтрансферазы, фермента, способного модифицировать ДНК, защищать её и позволять трансформацию. Результаты опубликованы в журнале PLOS ONE.
«Мы впервые показали, что рестрикция (деградация) ДНК самими организмами является абсолютным барьером для ДНК-трансформации», — отмечает Вестфелинг.
Пол Гилна, директор BESC, добавляет, что эта работа — настоящий прорыв, который открывает путь для развития бактерий Caldicellulosiruptor как новой платформы для эффективной конверсии биомассы в топливо.
Упрощение процесса конверсии биомассы в топливо помогает сделать целлюлозное биотопливо конкурентоспособным по стоимости с бензином. По данным на 2010 год, мировое производство биотоплива достигло 28 млрд галлонов, из которых 7 млрд — в США. Биотопливо составляет около 3% топлива для автомобильного транспорта.
Этанол из целлюлозных материалов потенциально может сократить выбросы парниковых газов на до 86% по сравнению с бензином. Достижение этой цели — одна из задач BESC.
Как только микроб можно будет надёжно перепрограммировать для производства одного целевого продукта (например, биоэтанола), те же методы можно применить для получения из биомассы других топлив и химикатов, включая биопластики, которые сейчас производятся из нефти.