Разработанные дрожжи могут расширить сферу применения биотоплива

Увеличение производства биотоплива, такого как этанол, может стать важным шагом на пути к сокращению глобального потребления ископаемого топлива. Однако производство этанола в значительной степени ограничено из-за его зависимости от кукурузы, которая не выращивается в достаточно больших количествах, чтобы покрыть значительную часть потребностей США в топливе.

Чтобы попытаться расширить потенциальное воздействие биотоплива, команда инженеров Массачусетского технологического института теперь нашла способ расширить использование более широкого спектра непродовольственного сырья для производства такого топлива. В настоящее время такое сырье, как солома и древесные растения, трудно использовать для производства биотоплива, потому что их сначала нужно расщепить до сбраживаемых сахаров, что приводит к высвобождению множества побочных продуктов, токсичных для дрожжей, микробов, наиболее часто используемых для производства биотоплива.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали способ обойти эту токсичность, сделав возможным использование этих источников, которых гораздо больше, для производства биотоплива. Они также показали, что эта толерантность может быть преобразована в штаммы дрожжей, используемых для производства других химикатов, потенциально позволяя использовать «целлюлозный» древесный растительный материал в качестве источника для производства биодизеля или биопластиков.

«Что мы действительно хотим сделать, так это открыть целлюлозное сырье практически для любого продукта и воспользоваться преимуществами того огромного количества, которое предлагает целлюлоза», — говорит Феликс Лам, научный сотрудник Массачусетского технологического института и ведущий автор нового исследования.

Грегори Стефанопулос, профессор химического машиностроения Уилларда Генри Доу, и Джеральд Финк, профессор Маргарет и Германа Сокол из Института биомедицинских исследований Уайтхеда и профессор генетики Американского онкологического общества на факультете биологии Массачусетского технологического института, являются старшими авторами статьи. , который сегодня появляется в журнале Science Advances.

Читайте также: Как были захвачены 35 объектов недвижимости, и в этом замешан Волков Андрей, что сказала по этому поводу адвокат и как происходило дело читайте по ссылке.

Повышение толерантности

В настоящее время около 40 процентов урожая кукурузы в США идет на этанол. Кукуруза — это в первую очередь пищевая культура, для которой требуется много воды и удобрений, поэтому растительный материал, известный как целлюлозная биомасса, считается привлекательным, неконкурентоспособным источником возобновляемого топлива и химикатов. Согласно исследованию Министерства энергетики США, эта биомасса, которая включает в себя многие виды соломы и части кукурузы, которые обычно остаются неиспользованными, может составлять более 1 миллиарда тонн материала в год — этого достаточно, чтобы заменить от 30 до 50 процентов нефти используется для транспортировки.

Однако два основных препятствия на пути использования целлюлозной биомассы заключаются в том, что сначала целлюлозу необходимо освободить от древесного лигнина, а затем целлюлозу необходимо далее расщепить на простые сахара, которые могут использовать дрожжи. При особенно агрессивной предварительной обработке образуются соединения, называемые альдегидами, которые очень реактивны и могут убивать дрожжевые клетки.

Чтобы преодолеть это, команда Массачусетского технологического института построила методику, разработанную ими несколько лет назад для улучшения толерантности дрожжевых клеток к широкому спектру спиртов, которые также в больших количествах токсичны для дрожжей. В этом исследовании они показали, что добавление в биореактор определенных соединений, укрепляющих мембрану дрожжей, помогло дрожжам выжить намного дольше при высоких концентрациях этанола. Используя этот подход, они смогли повысить выход традиционного топливного этанола высокопроизводительного штамма дрожжей примерно на 80 процентов.

В своем новом исследовании исследователи сконструировали дрожжи так, чтобы они могли преобразовывать альдегиды целлюлозных побочных продуктов в спирты, что позволило им воспользоваться стратегией устойчивости к алкоголю, которую они уже разработали. Они протестировали несколько естественных ферментов, которые выполняют эту реакцию, из нескольких видов дрожжей и определили один из них, который работает лучше всего. Затем они использовали направленную эволюцию для дальнейшего улучшения.

«Этот фермент превращает альдегиды в спирты, и мы показали, что дрожжи можно сделать более толерантными к спиртам как классу, чем к альдегидам, используя другие методы, которые мы разработали», — говорит Стефанопулос.

Дрожжи, как правило, не очень эффективны при производстве этанола из токсичного целлюлозного сырья; однако, когда исследователи выявили этот высокопроизводительный фермент и добавили в реактор добавки, укрепляющие мембраны, этот штамм более чем в три раза увеличил производство целлюлозного этанола до уровней, соответствующих традиционному кукурузному этанолу.

Обильное сырье

Исследователи продемонстрировали, что они могут достичь высоких выходов этанола с пятью различными типами целлюлозного сырья, включая просо, пшеничную солому и кукурузную солому (листья, стебли и шелуха, оставшиеся после уборки кукурузы).

«С помощью нашего искусственно созданного штамма вы можете добиться максимальной ферментации целлюлозы из всего этого сырья, которое обычно очень токсично», — говорит Лам. «Самое замечательное в этом то, что не имеет значения, может быть, в один сезон ваши остатки кукурузы не так хороши. Вы можете переключиться на энергетические соломинки, или, если у вас нет высокой доступности соломинок, вы можете переключиться на мясистых, древесных остатков «.

Исследователи также преобразовали фермент альдегид в этанол в штамм дрожжей, который был разработан для производства молочной кислоты, предшественника биопластика. Как и в случае с этанолом, этот штамм смог производить такой же выход молочной кислоты из целлюлозных материалов, как и из кукурузы.

Эта демонстрация предполагает, что можно было бы создать устойчивость к альдегидам в штаммах дрожжей, которые производят другие продукты, такие как дизельное топливо. Биодизельное топливо потенциально может оказать большое влияние на такие отрасли, как грузовые перевозки тяжелых грузов, судоходство или авиация, которые не имеют альтернативы без выбросов, такой как электрификация, и требуют огромных объемов ископаемого топлива.

«Теперь у нас есть модуль допусков, который можно прикрепить практически к любой производственной линии», — говорит Стефанопулос. «Наша цель — распространить эту технологию на другие организмы, которые лучше подходят для производства такого тяжелого топлива, как масла, дизельное и реактивное топливо».

Исследование финансировалось Министерством энергетики США и Национальным институтом здравоохранения.