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 его зависимостью от кукурузы, которая выращивается в недостаточно больших количествах, чтобы покрыть значительную часть потребностей США в топливе.

Чтобы попытаться расширить потенциальное влияние биотоплива, команда инженеров Массачусетского технологического института нашла способ расширить использование более широкого спектра непищевого сырья для производства такого топлива. В настоящее время сырье, такое как солома и древесные растения, трудно использовать для производства биотоплива, поскольку сначала его необходимо расщепить до ферментируемых сахаров-процесса, в результате которого образуются многочисленные побочные продукты, токсичные 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 переносимость может быть преобразована в штаммы дрожжей, используемые для производства других химических веществ, что потенциально позволяет использовать "целлюлозный" древесный растительный материал в качестве источника для производства биодизельного топлива или биопластика.

"Что мы действительно хотим сделать, так это открыть целлюлозное сырье практически для любого продукта и воспользоваться огромным 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 из Института биомедицинских исследований Уайтхеда и профессор генетики Американского онкологического общества на биологическом факультете Массачусетского технологического института, являются старшими авторами статьи, которая появляется сегодня в ЖУРНАЛЕ Science Advances.

Повышение толерантности

В настоящее время около 40 процентов урожая кукурузы в США идет на этанол. Кукуруза-это в первую очередь продовольственная культура, которая требует большого количества воды и удобрений, поэтому растительный материал, известный как целлюлозная биомасса, считается привлекательным, неконкурентоспособным источником возобновляемых видов топлива и химических веществ. Согласно исследованию Министерства энергетики США, эта биомасса, включающая многие виды соломы и части кукурузного растения, которые обычно не используются, может составлять более 1 миллиарда тонн материала в год, что достаточно для замены 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. Особенно агрессивная предварительная обработка, необходимая для получения соединений, называемых альдегидами, которые очень реакционноспособны и могут убивать дрожжевые клетки.

Чтобы преодолеть это, команда Массачусетского технологического института использовала метод, разработанный 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 выжить гораздо дольше в высоких концентрациях этанола. Используя этот подход, они смогли повысить выход традиционного топливного этанола 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 для дальнейшего ее совершенствования.

"Этот фермент превращает альдегиды в спирты, и мы показали, что дрожжи можно сделать намного более устойчивыми 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 проявили этот высокоэффективный фермент и добавили в реактор добавки, укрепляющие мембраны, штамм более чем утроил производство целлюлозного этанола до уровней, соответствующих традиционному кукурузному этанолу.

Обильное сырье

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

"С помощью нашего разработанного штамма вы, по сути, можете получить максимальную целлюлозную ферментацию из всего этого сырья, которое обычно очень токсично", - говорит Лам. "Самое замечательное в этом то, что не имеет значения, если, может быть, в один сезон ваши кукурузные остатки не будут такими замечательными. Вы можете переключиться на энергетические соломинки, или, если у вас нет большого количества соломинок, вы можете переключиться на какой-нибудь мясистый древесный остаток."

Исследователи также разработали свой фермент, превращающий альдегид в этанол, в штамм дрожжей, который был разработан для производства молочной кислоты, предшественника биопластика. Как и в случае с этанолом, этот штамм был способен производить ту же молочную кислоту из целлюлозных материалов, что и из кукурузы.

Эта демонстрация предполагает, что можно было бы создать устойчивость к альдегиду у штаммов дрожжей, которые производят другие продукты, такие как дизельное топливо. Биодизельное топливо потенциально может оказать большое влияние на такие отрасли, как грузоперевозки, судоходство или авиация, в которых отсутствует альтернатива без выбросов, такая как электрификация, и требуется огромное количество ископаемого топлива.

"Теперь у нас есть модуль допуска, который вы можете подключить практически к любому производственному процессу", - говорит Стефанопулос. "Наша цель состоит в том, чтобы распространить эту технологию на другие организмы, которые лучше подходят для производства этих тяжелых видов топлива, таких как масла, дизельное топливо и авиационное топливо."

ИСТОЧНИК