Universitatea din California, Berkeley, chimiștii au conceput bacterii pentru a produce un biocombustibil asemănător benzinei de aproximativ 10 ori rata microbilor concurenți, o descoperire care ar putea oferi în curând un combustibil de transport accesibil și „verde”.

fabrici

Dezvoltarea este raportată online săptămâna aceasta înainte de publicarea în revista Nature Chemical Biology de Michelle C. Y. Chang, profesor asistent de chimie la UC Berkeley, student absolvent Brooks B. Bond-Watts și recent absolvent UC Berkeley Robert J. Bellerose.

Diferite specii de bacterii Clostridium produc în mod natural o substanță chimică numită n-butanol (butanol normal) care a fost propus ca un substitut pentru motorină și benzină. În timp ce majoritatea cercetătorilor, inclusiv câteva companii de biocombustibili, au modificat genetic Clostridium pentru a-și spori capacitatea de a produce n-butanol, alții au smuls enzime din bacterii și le-au introdus în alți microbi, cum ar fi drojdia, pentru a le transforma în fabrici de n-butanol. . Drojdia și E. coli, una dintre principalele bacterii din intestinul uman, sunt considerate a fi mai ușor de cultivat la scară industrială.

În timp ce aceste tehnici au produs bacterii și drojdii E. coli modificate genetic promițătoare, producția de n-butanol a fost limitată la puțin mai mult de jumătate de gram pe litru, cu mult sub cantitățile necesare pentru producția accesibilă.

Chang și colegii ei au blocat aceeași cale enzimatică în E. coli, dar au înlocuit două dintre cele cinci enzime cu semene similare de la alte organisme care au evitat una dintre problemele pe care au avut-o alți cercetători: n-butanolul fiind transformat înapoi în precursorii săi chimici de către aceleași enzime care o produc.

Noua E. coli modificată genetic a produs aproape cinci grame de n-buranol pe litru, cam la fel ca Clostridiumul nativ și o treime din producția celui mai bun Clostridium modificat genetic, dar de aproximativ 10 ori mai bună decât sistemele industriale microbiene actuale.

"Suntem într-o gazdă cu care este mai ușor de lucrat și avem șansa să o îmbunătățim și mai mult", a spus Chang. "Ajungem la randamente unde, dacă am putea face de două până la trei ori mai mult, am putea începe probabil să ne gândim la proiectarea unui proces industrial în jurul său."

„Am fost încântați să străpungem bariera de mai multe grame, care era o provocare”, a adăugat ea.

Printre motivele ingineriei microbilor pentru a produce combustibili se numără evitarea subproduselor toxice ale rafinării convenționale a combustibililor fosili și, în cele din urmă, înlocuirea combustibililor fosili cu biocombustibili mai ecologici produși din plante. Dacă microbii pot fi proiectați pentru a transforma aproape fiecare atom de carbon pe care îl mănâncă în combustibil recuperabil, ar putea ajuta lumea să obțină un combustibil de transport mai neutru din punct de vedere al carbonului, care ar reduce poluarea care contribuie acum la schimbările climatice globale. Chang este membru al Centrului pentru Chimie Verde al UC Berkeley.

Etapele de bază dezvoltate de Clostridium pentru a produce butanol implică cinci enzime care transformă o moleculă comună, acetil-CoA, în n-butanol. Alți cercetători care au conceput drojdie sau E. coli pentru a produce n-butanol au luat întreaga cale enzimatică și au transplantat-o ​​în acești microbi. Cu toate acestea, n-butanolul nu este produs rapid în aceste sisteme, deoarece enzimele native pot funcționa invers pentru a converti butanolul înapoi în precursorii săi de pornire.

Chang a evitat această problemă căutând organisme care au enzime similare, dar care funcționează atât de încet în sens invers încât micul n-butanol se pierde printr-o reacție înapoi.

„În funcție de modul specific în care o enzimă catalizează o reacție, o puteți forța în direcția înainte reducând viteza la care apare reacția din spate”, a spus ea. "Dacă reacția din spate este suficient de lentă, atunci transformarea devine efectiv ireversibilă, permițându-ne să acumulăm mai mult din produsul final."

Chang a găsit două noi versiuni de enzime în secvențele publicate de genomi microbieni și, bazându-se pe înțelegerea ei asupra căii enzimatice, a substituit noile versiuni în puncte critice care nu ar interfera cu sutele de alte reacții chimice care au loc într-o celulă vie de E. coli . În total, ea a instalat gene din trei organisme separate - Clostridium acetobutylicum, Treponema denticola și Ralstonia eutrophus - în E. coli.

Chang este optimist că, îmbunătățind activitatea enzimei la alte câteva blocaje din calea de sinteză a n-butanolului și prin optimizarea microbului gazdă pentru producerea de n-butanol, poate crește producția de două până la trei ori, suficient pentru a justifica luarea în considerare a scalării până la un proces industrial. De asemenea, ea lucrează la adaptarea noii căi sintetice pentru a lucra în drojdie, un cal de lucru pentru producția industrială a multor substanțe chimice și farmaceutice.

Lucrarea a fost susținută de UC Berkeley, Fundația Camille și Henry Dreyfus, Fundația Arnold și Mabel Beckman și Programul de soluții și produse durabile Dow.