Прорыв в понимании токсичности бутанола может удешевить производство биотоплива

Одно из ключевых ограничений производства биотоплива — токсичность образующегося в процессе ферментации спирта для самих микроорганизмов-продуцентов. Учёные приблизились к преодолению этого барьера.

Исследователи из Университета Цинциннати и Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США совершили прорыв в понимании уязвимости микробов к спиртам, которые они сами производят при ферментации растительной биомассы.

С помощью оборудования лаборатории для нейтронного рассеяния и моделирования команда проанализировала ферментацию биотоплива бутанола — энергоёмкого спирта, также используемого как растворитель или химическое сырьё.

Бутанол токсичен для микроорганизмов, которые его производят. Эта токсичность ограничивает количество бутанола, которое можно получить в процессе ферментации, что является проблемой для биопроизводства, — пояснил Джонатан Никелс, доцент химического и экологического инженеринга.

«Основное место токсического воздействия — клеточная мембрана. В конечном итоге, растворитель делает её тоньше, мягче и менее стабильной. В мембране появляются поры. Когда это происходит, клетка теряет способность генерировать энергию».

Исследователи обнаружили, что бутанол имеет тенденцию накапливаться в мембране неравномерно, вызывая большее истончение в одних областях по сравнению с другими. Это может быть причиной клеточного стресса и снижения эффективности ферментации.

Результаты работы опубликованы в журнале Langmuir.

Ведущий автор Луокси Тан, докторант, продолжает это сотрудничество в качестве постдока в национальной лаборатории. Он заявил, что теперь исследователи будут изучать возможность повышения эффективности производства биотоплива за счёт стабилизации мембран клеток в биомассе.

«(Результаты) дают нам новые мишени для снижения влияния этих продуктов ферментации», — сказал Тан.

Процессы, происходящие во время ферментации, изучались с помощью экспериментов по нейтронному рассеянию, которые позволяют проводить неразрушающий анализ мембраны, показывая структуры и расположение молекул.

«Нейтроны дают возможность исследовать внутреннюю часть мембраны, чтобы определить, как распределяется бутанол», — сказал Хью О’Нил, директор Центра структурной молекулярной биологии в Ок-Ридже.

Для изучения движения и взаимодействия атомов и молекул во времени использовались суперкомпьютеры и молекулярно-динамическое моделирование. Эти инструменты позволили увидеть, что происходит со структурой клеточной мембраны на молекулярном уровне.

«Результаты имеют очень актуальные и значимые долгосрочные последствия. Мы хотим сделать производство биотоплива более эффективным, что будет иметь серьёзные экономические результаты», — заключил Никелс.