Биотопливо и химикаты, не конкурирующие с продовольствием
Команда Эммы Мастер последние два года изучала клеточные стенки растений — часть клетки, придающую деревьям и другой флоре структурную прочность. Сама стенка построена из плотного комплекса сахаров и полимеров. Цель исследования — выделить эти компоненты для создания возобновляемого топлива, ценных химикатов и новых биоразлагаемых материалов.
Сахар в клеточной стенке может стать источником для производства ценных биопродуктов, включая топливо. Это интригующая возможность использовать несъедобные части растений для получения более чистой энергии.
Мастер возглавляет Лабораторию исследований биопродуктов Университета Торонто, которая занимается разработкой ферментов для создания новых полимеров и химикатов из растительных волокон. Клеточная стенка в основном состоит из трёх различных полимеров (цепей молекул), каждый из которых вносит вклад в её прочность. Ключевой компонент — целлюлоза (цепь глюкозных сахаров), особенно востребованная для производства биохимикатов и биотоплива.
Биотопливо регулярно упоминается как потенциальная «зелёная» альтернатива энергии угля и газа — шанс использовать возобновляемые культуры вместо невозобновляемых ресурсов из нефтеносных песков и сланцев.
Некоторые виды биотоплива уже есть на рынке, но большинство современных вариантов производятся из крахмалов, пригодных в пищу человеку. Нужен надёжный и экономичный источник глюкозы, который не конкурирует с продовольствием.
Исследование команды Мастер как раз об этом: как высвободить полимеры клеточной стенки, чтобы превратить их в возобновляемые материалы, химикаты и топливо.
«Если думать о жидком биотопливе для транспорта, задача в том, как экономично извлечь целлюлозу из клеточной стенки, а затем как преобразовать этот полимер в отдельные сахара», — сказала Мастер.
После высвобождения из клеточной стенки отдельные сахара можно преобразовать в биотопливо путём ферментации с помощью микроорганизмов (дрожжей, бактерий). Это топливо затем можно использовать в автомобилях и промышленности.
Десятилетия исследований выявили ключевые ферменты, расщепляющие растительную биомассу на сбраживаемые сахара, но процесс остаётся дорогим. Отчасти из-за сложности доступа к цепям сахаров, заключённым в другие полимеры клеточной стенки.
Чтобы преодолеть это препятствие, команда сосредоточилась на анализе того, как различные ферменты совместно разрушают клеточную стенку, чтобы понять, что работает лучше всего и почему. Долгое время они изучали химию клеточной стенки с помощью Time-of-flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), но стремились достичь более высокого уровня пространственной детализации.
Постдокторский исследователь проекта ранее работал в Canadian Light Source (CLS) и рекомендовал эту установку за её способность давать чрезвычайно детальные изображения химических изменений в образце. Переход был подобен переходу от обычного телевидения к высокому разрешению.
За три визита в CLS команда провела исследования, чтобы понять, как различные ферменты разрушают клеточную стенку — по отдельности и в виде белковых коктейлей.
Процесс был сопряжён с крутой кривой обучения: команде пришлось осваивать совершенно новые методы подготовки образцов и даже интерпретации данных.
«Должна сказать, нас поддерживало то, что группа, с которой я работала, была так же увлечена наукой, как и я, и понимала, какое терпение нужно для решения больших вопросов», — сказала Мастер.
Эти вопросы выходят за рамки даже создания идеального ферментного коктейля для устойчивого биотоплива. Мастер видит в этой работе способ расшифровать генетический код.
Каждый фермент — это белок, произведённый генетическим кодом какого-либо организма. По мере того как Мастер и другие расшифровывают функции конкретных ферментов, она надеется, что геномные исследователи смогут лучше понять, как эволюционировали определённые гены.
Эта последняя публикация — лишь часть истории. Исследовательская группа Мастер планирует вернуться в CLS, чтобы продолжить работу над клеточной стенкой. Их следующий проект включает изучение ферментов, которые используют уникальный механизм для разрушения целлюлозы, что может снизить общие затраты на переработку растительных волокон.