Дата публикации: 02.12.2021
Это похоже на современную алхимию:
сахар превращается
в горючее.
Преобразование глюкозы в жирные кислоты посредством генно-модифицированных бактерий. Источник
Превращение сахара в углеводороды – такие же, как в бензине? Да, это чем-то похоже на алхимию, но... именно это и сделали современные учёные. В опубликованном 22 ноября документе говорится о создании экологически безопасного биотоплива.
В исследовании, приведённом в журнале Nature Chemistry, исследователи сообщают об использовании чудес биологии и химии для превращения глюкозы (одного из видов сахара) в олефины (углеводороды, представляющие один из типов молекул, входящих в состав бензина).
Проектом руководили биохимики Чжэнь Ванг из Университета Буффало и Мишель Чанг из университета Калифорнии в Беркли.
Как поясняет Чжэнь Ванг, доцент биологических наук, основные составляющие обнаруженных в результате исследования перспектив в том, что олефины на самом деле составляют довольно небольшой процент молекул в известном нам бензине, но разработанный командой процесс вполне может быть скорректирован для получения в будущем и других типов углеводородов. А это означает возможности создания и некоторых других компонентов того же бензина, помимо упомянутых олефинов. Таким образом, долю природных углеводородов в составе топлива можно будет сократить ещё больше. Ко всему прочему, олефины имеют не только топливное применение – они используются в промышленных смазках и в качестве прекурсоров для производства пластмасс.
От сладкоежек к катализатору.
Чтобы осуществить задуманное, исследователям пришлось начать с разведения бактерий. Ими стали не опасные для человека штаммы кишечной палочки, которым учёные устроили настоящую сладкую жизнь. В буквальном смысле – их кормили глюкозой. Для их выращивания, их помещают в колбы, наполненные так называемым жёлтым бульоном, содержащим питательные вещества. Затем – в инкубаторе – их подвергают процедуре встряхивания, стимулируя тем самым приток необходимого кислорода.
«Эти микробы – сахарные наркоманы, даже хуже, чем наши дети», – шутит Ванг.
В опытах с кишечными палочками были применены методы генной инженерии. Так получился набор из четырёх ферментов, которые превращают глюкозу в соединения, называемые 3-гидрокси жирные кислоты. Другими словами, означенные жирные кислоты стали производить сами бактерии; и всё – благодаря потреблению глюкозы.
Однако это далеко не всё. Чтобы завершить преобразование, потребовалось отщепить нежелательные части жирных кислот. Для столь ювелирного вмешательства было решено применить катализатор, и этот путь не был лёгким. Методом проб и ошибок было отметено множество претендентов на это место, ведь спрогнозировать столь сложные реакции достоверно – дело не простое. И всё же, будучи специалистом в синтетической биологии, Чжэнь Ванг с командой своей лаборатории всё-таки одолела эту преграду. И причём весьма удачно, так как в своих поисках исследователи натолкнулись на пятиокись ниобия (Nb2O5), участие которой в химическом процессе сопровождается образованием как раз искомого конечного продукта – тех самых олефинов.
«Мы объединили то, что биология может делать лучше всего, с тем, что химия может сделать лучше всего; и мы объединили их, чтобы создать этот двухэтапный процесс, – комментирует суть работы Чжэнь Ванг,доктор философии, доцент кафедры биологических наук колледжа Искусств и Наук университета Буффало. – Используя этот метод, мы смогли производить олефины непосредственно из глюкозы».
Сладкая утилизация CO2.
«Производство биотоплива из возобновляемых источников, таких как глюкоза, имеет большой потенциал для продвижения технологий зелёной энергии, – поясняет она. – Глюкоза вырабатывается растениями посредством фотосинтеза, который превращает углекислый газ (CO2) и воду в кислород и сахар. Таким образом, углерод в глюкозе – а затем и в олефинах – на самом деле происходит из углекислого газа, который был удалён из атмосферы».
Проблемы изменчивости климата вызывают в нас желание найти этакую «волшебную пилюлю» от них, которая бы «вылечила» планету раз и навсегда. И в каждой новой находке среди множества способов частичного решения вопроса нам нередко хочется видеть именно это чудодейственное средство. Однако, как говорится, это работает совсем не так. И в этом случае, как и во всех других, необходимы дополнительные исследования. Они помогут выявить и понять больше преимуществ и недостатков нового метода, а также можно ли его эффективно распространить для производства биотоплива или других целей. Один из первых вопросов, на который нужно будет ответить, – сколько энергии потребляет сам этот процесс производства олефинов? Ведь если стоимость энергии слишком высока, то смысла в технологии не много, или же её следует должным образом доработать и оптимизировать для практического применения в промышленных масштабах.
Учёные также заинтересованы в увеличении эффективности метода. Пока для производства 8 молекул олефина требуется около 100 молекул глюкозы. Доктор Ванг считает, что это соотношение можно бы и улучшить, сосредоточив внимание на том, чтобы «уговорить» бактерию производить больше 3-гидроксижирных кислот на каждый грамм потребляемой глюкозы.
Кто знает, быть может действительно климатическую пилюлю удастся подсластить ещё больше?
АРМК, по материалам Университета Буффало
