Инженерия водорослей для производства «материала-чуда» наноцеллюлозы для биотоплива и не только

Гены из семейства бактерий, производящих уксус, чайный гриб (комбучу) и ната-де-коко, стали ключевыми в проекте по превращению водорослей в работающие на солнечной энергии фабрики по производству «материала-чуда» — наноцеллюлозы. Учёные сообщили о значительном прогрессе в заставке этих генов производить полностью функциональную наноцеллюлозу на 245-й Национальной встрече и выставке Американского химического общества (ACS).

«Если мы сможем завершить финальные шаги, мы совершим одно из важнейших потенциальных преобразований в сельском хозяйстве за всю историю», — заявил д-р Р. Малкольм Браун-младший. — «У нас появятся растения, производящие наноцеллюлозу в изобилии и дёшево. Она может стать сырьём для устойчивого производства биотоплива и многих других продуктов. Производя наноцеллюлозу, водоросли будут поглощать углекислый газ — основной парниковый газ, связанный с глобальным потеплением».

Что такое наноцеллюлоза?

Целлюлоза — самый распространённый органический полимер на Земле. В своей наноструктурной форме (микрофибриллы) она обладает уникальными свойствами наноматериалов: материалы на её основе могут быть прочнее стали и жёстке кевлара. Это открывает перспективы для использования в лёгкой броне, баллистическом стекле, раневых покрытиях и каркасах для выращивания органов.

От бактерий к водорослям

В 1800-х годах Луи Пастер обнаружил, что уксуснокислые бактерии производят бактериальную наноцеллюлозу. Позже, в 2001 году, Дэвид Ноблс из команды Брауна установил, что сине-зелёные водоросли (цианобактерии) также могут производить наноцеллюлозу, но в природе — в недостаточных количествах.

С 1970-х годов моделью для исследований служила бактерия Acetobacter xylinum (A. xylinum), которая выделяет наноцеллюлозу прямо в питательную среду. В 1980-90-х годах команда Брауна секвенировала первые гены наноцеллюлозы у A. xylinum и определила гены, ответственные за полимеризацию и кристаллизацию.

Однако для промышленного производства с помощью бактерий потребовались бы дорогие питательные среды. Это сместило фокус на цианобактерии, которые:

Текущий прогресс и барьеры

На встрече ACS Браун сообщил, что его команда уже успешно встроила гены A. xylinum в цианобактерии. Водоросли генетически модифицированы для производства полимерной (длинноцепочечной) формы наноцеллюлозы. Следующий шаг — заставить их синтезировать более полную, кристаллическую форму материала. Работы масштабируются: от лабораторных тестов к испытаниям в крупных наружных установках.

Браун отдельно отметил, что одним из главных барьеров для коммерциализации биотоплива из наноцеллюлозы является не наука, а государственная политика и политика. Биотопливу будет сложно конкурировать с дешёвым природным газом, доступным благодаря гидроразрыву пласта («фрекингу»). В долгосрочной перспективе США понадобятся устойчивые виды биотоплива, что требует национальной энергетической политики, поддерживающей их разработку и коммерциализацию.