Чтобы попытаться расширить потенциальное воздействие биотоплива, команда инженеров Массачусетского технологического института теперь нашла способ расширить использование более широкого спектра непищевого сырья для производства такого топлива. В настоящее время для производства биотоплива трудно использовать такое сырье, как солома и древесные растения, поскольку сначала их необходимо расщепить до сбраживаемых сахаров, что приводит к образованию многочисленных 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, которые гораздо более многочисленны, для производства биотоплива. Они также показали, что эту толерантность можно спроектировать в штаммах дрожжей, используемых для производства других химических веществ, что потенциально позволяет использовать "целлюлозный" древесный растительный материал в качестве источника для производства биодизеля или биопластика.

"Что мы действительно хотим сделать, так это открыть доступ к целлюлозному сырью практически для любого продукта и воспользоваться тем изобилием, которое предлагает целлюлоза", - говорит Феликс Лам, научный сотрудник Массачусетского технологического института и ведущий автор нового исследования.

Грегори Стефанопулос, профессор химической инженерии Уилларда Генри Доу, и Джеральд Финк, профессор Маргарет и Герман Сокол в Институте биомедицинских исследований Уайтхеда и профессор генетики Американского онкологического общества на биологическом факультете Массачусетского технологического института, являются старшими авторами статьи, которая появляется сегодня в Научные достижения.

Повышение толерантности

В настоящее время около 40 процентов урожая кукурузы в США идет на производство этанола. Кукуруза - это прежде всего продовольственная культура, которая требует большого количества 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 растений кукурузы, которые обычно не используются, может составлять более 1 миллиарда тонн сырья в год - этого достаточно, чтобы заменить 30-50 процентов нефти, используемой для транспортировки.

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

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

В своем новом исследовании исследователи сконструировали дрожжи таким образом, чтобы они могли превращать альдегиды целлюлозного побочного продукта в спирты, что позволило им воспользоваться преимуществами стратегии толерантности к алкоголю, которую они уже разработали. Они протестировали несколько природных ферментов, которые осуществляют эту реакцию, из нескольких видов дрожжей и определили тот, который работал лучше всего. Затем они использовали направленную эволюцию, чтобы еще больше улучшить его.

"Этот фермент превращает альдегиды в спирты, и мы показали, что дрожжи можно сделать гораздо более устойчивыми к спиртам как классу, чем к альдегидам, используя другие разработанные нами методы", - говорит Стефанопулос.

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

Изобилие сырья

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

"С помощью нашего модифицированного штамма вы, по сути, можете добиться максимальной целлюлозной ферментации из всего этого сырья, которое обычно очень токсично", - говорит Лам. "Самое замечательное в этом то, что не имеет значения, если, возможно, в один из сезонов ваши кукурузные остатки будут не такими уж и вкусными. Вы можете перейти на энергетические соломинки, или, если у вас нет большого количества соломинок, вы можете перейти на какой-нибудь мясистый древесный остаток ".

Исследователи также внедрили свой фермент преобразования альдегида в этанол в штамм дрожжей, который был сконструирован для производства молочной кислоты, предшественника биопластика. Как и в случае с этанолом, этот штамм был способен производить такой же выход молочной кислоты из целлюлозных материалов, как и из кукурузы.

Эта демонстрация предполагает, что может быть осуществимо создать устойчивость к альдегиду у штаммов дрожжей, которые производят другие продукты, такие как дизельное топливо. Биодизель потенциально может оказать большое влияние на такие отрасли, как тяжелые грузоперевозки, судоходство или авиация, которым не хватает альтернативы без выбросов, такой как электрификация, и требуется огромное количество ископаемого топлива.

"Теперь у нас есть модуль допуска, который вы можете подключить практически к любому виду производственного процесса", - говорит Стефанопулос. "Наша цель - распространить эту технологию на другие организмы, которые лучше подходят для производства этих тяжелых видов топлива, таких как масла, дизельное топливо и реактивное топливо".

Исследование финансировалось Министерством энергетики США и Национальными институтами здравоохранения.