Forskare har visat en ny teknik där biomanipulerade bakterier kan göra kostnadseffektiva kemikalier/polymerer från förnybara växt källor
Lignin är ett material som är en beståndsdel av cellväggen i alla torra landväxter. Det är den näst vanligaste naturliga polymeren efter cellulosa. Detta material är den enda polymer som finns i växter som inte består av kolhydrater (socker) monomerer. Lignocellulosabiopolymerer ger form, stabilitet, styrka och styvhet till växter. Lignocellulosabiopolymerer består av tre huvudkomponenter: cellulosa och hemicellulosa bildar ett ramverk i vilket lignin är inkorporerat som ett slags kopplingsdon och därmed stelnar cellväggen. Cellväggslignifiering gör växter resistenta mot vind och skadedjur och hjälper dem från att ruttna. Lignin är en stor men mycket underutnyttjad förnybar energiresurs. Lignin som representerar upp till 30 procent av lignocellulosabiomassan är en oexploaterad skatt – åtminstone ur kemisk synvinkel. Den kemiska industrin är mest beroende av kolföreningar för att skapa olika produkter som färg, konstgjorda fibrer, konstgödsel och viktigast av allt plast. Den här industrin använder vissa förnybara resurser som vegetabilisk olja, stärkelse, cellulosa etc, men detta omfattar bara 13 procent av alla föreningar.
Lignin, ett lovande alternativ till petroleum för att tillverka produkter
Faktum är att lignin är den enda källan till förnybar energi på jorden som innehåller ett stort antal aromatiska föreningar. Detta är viktigt eftersom aromatiska föreningar i allmänhet utvinns från den icke-förnybara källan petroleum och sedan används för att producera plast, färger etc. Potentialen för lignin är således mycket hög. I jämförelse med petroleum som är ett icke-förnybart fossilt bränsle härrör lignocellulosa från trä, halm eller Miscanthus som är förnybara källor. Lignin kan odlas på åkrar och i skogar och är generellt klimatneutralt. Lignocellulosa har betraktats som ett seriöst alternativ till petroleum under de senaste decennierna. Petroleum driver den kemiska industrin för närvarande. Petroleum är en råvara för många baskemikalier som sedan används för att producera användbara produkter. Men petroleum är en icke-förnybar källa och minskar, därför måste fokus ligga på att hitta förnybara källor. Detta tar med lignin in i bilden eftersom det verkar vara ett mycket lovande alternativ.
Lignin är fullt av hög energi men att återvinna denna energi är komplicerat och en dyr process och därmed till och med biobränsle som genereras eftersom slutresultatet i allmänhet är mycket högt i kostnad och inte ekonomiskt kan ersätta "transportenergi" som används för närvarande. Många metoder har undersökts för att utveckla kostnadseffektiva sätt att bryta ner lignin och omvandla det till värdefulla kemikalier. Flera begränsningar har dock begränsat omvandlingen av beröringsväxtmaterial som lignin till att användas som en alternativ energikälla eller till och med försöka göra det mer kostnadseffektivt. En nyligen genomförd studie har framgångsrikt konstruerat bakterier (E. Coli) till att fungera som en effektiv och produktiv biokonverteringscellfabrik. Bakterier växer och förökar sig mycket snabbt och de klarar hårda industriella processer. Denna information kombinerades med förståelse för naturligt tillgängliga ligninnedbrytare. Verket publicerades i Proceedings of the National Academy of Science USA.
Teamet av forskare ledda av Dr Seema Singh vid Sandia National Laboratories löste tre huvudproblem som man stöter på när man förvandlar lignin till plattformskemikalier. Det första stora hindret är det bakterie E. Coli producerar i allmänhet inte de enzymer som behövs för omvandling. Forskare tenderar att lösa detta problem med att tillverka enzymer genom att lägga till en "inducerare" till fermenteringsringen. Dessa inducerare är effektiva men är mycket dyra och passar därför inte bra i konceptet med bioraffinaderier. Forskare prövade ett koncept där en ligninhärledd förening som vanilj användes som ett substrat såväl som en inducerare genom att konstruera bakterie E coli. Detta skulle kringgå behovet av en dyr inducerare. Men, som gruppen upptäckte, var vanilj inte ett bra val, särskilt eftersom när lignin bryts ner, produceras vanilj i stora mängder och det börjar hämma funktionen av E. Coli, dvs vanilj börjar skapa toxicitet. Men detta fungerade till deras fördel när de konstruerade bakterie. I det nya scenariot används själva kemikalien som är giftig för E. Coli för att initiera den komplexa processen med "ligninvalorisering". När vanilj är närvarande aktiveras enzymerna och bakterierna börjar omvandla vanillin till katekol, vilket är den önskade kemikalien. Dessutom når mängden vanillin aldrig den toxiska nivån eftersom det blir autoreglerat i det nuvarande systemet. Det tredje och sista problemet var effektiviteten. Systemet för omvandling var långsamt och passivt, så forskare undersökte mer effektiva transportörer från andra bakterier och konstruerade dem till E. Coli som sedan snabbt spårade processen. Att övervinna toxicitets- och effektivitetsproblem med sådana innovativa lösningar kan bidra till att göra produktionen av biobränsle till en mer ekonomisk process. Och borttagning av en extern inducerare tillsammans med införlivande av autoreglering kan ytterligare optimera biobränsletillverkningsprocessen.
Det är väl etablerat att när lignin väl bryts ned har det förmågan att tillhandahålla eller snarare "skänka till" värdefulla plattformskemikalier som sedan kan omvandlas till nylon, plast, läkemedel och andra viktiga produkter som för närvarande härrör från petroleum, en icke -förnybar energikälla. Denna studie är relevant för att vara ett steg mot att forska och utveckla kostnadseffektiva lösningar för biobränsle och bioproduktion. Med hjälp av bioteknik kan vi producera större mängder plattformskemikalier och flera andra nya slutprodukter, inte bara med bakteriell E.Coli utan även med andra mikrobiella värdar. Författarnas framtida forskning ska fokusera på att visa på en ekonomisk produktion av dessa produkter. Denna forskning har en enorm inverkan på energigenereringsprocesser och utvidgningen av utbudet av möjligheter för gröna produkter. Författarna påpekar att lignocellulosa inom en snar framtid definitivt bör komplettera petroleum om inte ersätta den.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Wu W et al. 2018. Mot konstruktion av E. coli med ett autoregulatoriskt system för ligninvalorisering', Proceedings of the National Academy of Sciences. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
