5 Minutės
Proveržis: mikrobinė PET alternatyvos gamyba
Kobe universiteto bioinžinierių komanda pranešė apie reikšmingą pažangą PDCA (pyridinedicarboxylic acid) mikrobinėje gamyboje — biodegraduojamo monomero, kurio polimerai pasižymi mechaninėmis savybėmis, panašiomis, o kai kuriais atvejais net pranašesnėmis už įprastinį polietileno tereftalatą (PET). Pertvarkę Escherichia coli metabolizmą, tyrėjai pagamino PDCA iš gliukozės maišomuose bioreaktoriuose koncentracijomis, daugiau nei septynis kartus didesnėmis nei ankstesniuose pranešimuose, ir tai padarė vengdami toksiškų cheminių šalutinių produktų, kurie dažnai apsunkina hibridines chemines/biologines gamybos schemas.
PDCA yra perspektyvus kandidatas aukštos kokybės, iš biomasės gautiems bioplastikams, kuriuos galima naudoti induose, pluoštuose ir plėvelėse. Skirtingai nuo daugelio iš biomasės išvestų molekulių, kurių sudėtyje yra tik anglis, vandenilis ir deguonis, PDCA reikalauja azoto įjungimo į aromatinį karkasą — tai gebėjimas, kurį mikrobinėse sistemose iki šiol buvo sunku efektyviai pasiekti. Kobe komanda sutelkė dėmesį į ląstelių azoto metabolizmo naudojimą, kad visas PDCA molekulės surinkimas vyktų biologiniu keliu, o ne daline cheminėmis sintezėmis.
Mokslinis pagrindas ir eksperimentinis požiūris
Mikrobų inžinerija, leidžianti gaminti sudėtingus monomerus, dažnai reiškia svetimų fermentų įvedimą, metabolinio srauto optimizavimą ir kofermentų bei pirmtakų subalansavimą. Kobe universiteto komanda įdiegė fermentų kombinacijas, kurios nukreipė gliukozės kilmės anglies atomus ir įsisavintą azotą į piridino žiedą ir karboksilatines grupes PDCA molekulėje. Jie optimizavo fermentacijos sąlygas stalviršio (bench-scale) bioreaktoriuose ir stebėjo produkcijos išeigas, šalutinių produktų susidarymą bei fermentų stabilumą, siekdami pagerinti PDCA titrus ir bendrą biomasinės sintezės efektyvumą.
Vienas svarbus techninis pasiekimas buvo nepageidaujamų šalutinių produktų, dažnai susidarančių chemo-enziminiuose keliuose, pašalinimas. Tyrėjai parodė, kad visiškai biologinis kelias gali švariai įjungti azotą, gauti grynesnį galutinį produktą ir paprastinti vėlesnį valymo procesą. Straipsnyje žurnale Metabolic Engineering autoriai praneša apie PDCA titrus, viršijančius ankstesnius mikrobinės gamybos rezultatus daugiau nei septynis kartus — tai reikšmingas žingsnis link pramoninio pritaikymo.
Techninės problemos ir sprendimai
Viena iš pasikartojančių kliūčių, su kuria susidūrė komanda, buvo heterologinis fermentas, kurio šalutinė reakcija sukeldavo vandenilio peroksido (H2O2) susidarymą. H2O2 yra labai reaguojantis ir gadino patį fermentą, sukeldamas neigiamą grįžtamąjį ryšį, ribojantį PDCA sintezę. Grupė sumažino šią problemą tobulindama kultivavimo sąlygas ir pridėdama terpėje peroksidą šalinantį junginį, kuris apsaugojo fermentą ir atstatė srautą PDCA biosintetinėje grandinėje. Tyrėjai pripažįsta, kad priedų naudojimas kelia klausimų dėl kaštų ir logistikos mastelio didinimo metu, todėl siūlomi genetiniai arba proceso inžinerijos sprendimai, leidžiantys atsisakyti išorinių priedų.
Pagrindiniai atradimai, pasekmės ir tolesni žingsniai
Šis darbas suteikia tris svarbius postūmius bioplastikų tyrimams: (1) įrodymas, kad mikrobai gali surinkti azotą turinčius aromatinius monomerus, (2) žymus PDCA titrų padidėjimas bioreaktoriuose ir (3) praktiniai sprendimai fermentų nestabilumui dėl reaguojančių deguonies formų (pvz., H2O2) pašalinti. Šie elementai plečia molekulių asortimentą, prieinamą mikrobinei fermentacijai, ir priartina PDCA prie komercinio svarstymo kaip alternatyvą iš petrocheminių žaliavų gautam PET.
Autoriai aprašo keletą krypčių tolesniam tobulinimui: inžineruoti peroksidui atsparias fermentų variacijas, integruoti ląstelės vidines peroksidų skaidymo sistemas ir optimizuoti žaliavų paverčiamumą produktu (feedstock-to-product yields). Pramoninėje perspektyvoje reikės atlikti techno-ekonominę analizę ir gyvavimo ciklo vertinimą, kad būtų galima palyginti PDCA pagrindu pagamintus polimerus su esamomis medžiagomis, atsižvelgiant į žaliavų tiekimą (gliukozė iš biomasės), energijos naudojimą ir galutinio produkto biodegraduojamumą.
Eksperto įžvalga
Dr. Maya Ortega, medžiagų mokslininkė, besispecializuojanti tvariuose polimeruose, komentuoja: "Šis darbas yra svarbus koncepcijos įrodymas. Aukštų PDCA titrų pasiekimas bioreaktoriuose sprendžia dažną siaurą vietą — mastelį. Likusios problemos yra tipiškos: fermentų patikimumas ir kaštų konkurencingas galutinio produkto apdorojimas. Jei jos bus išspręstos, PDCA pagrindu pagaminti polimerai galėtų patekti į rinkas, kur reikalingas tiek mechaninis našumas, tiek biodegraduojamumas."
Be pakavimo ir tekstilės pramonės, azotą turintys monomerai, tokie kaip PDCA, galėtų suteikti naujų funkcinių medžiagų klasių su pritaikomomis šilumine ir barjerinėmis savybėmis, potencialiai paveikdami sektorius nuo vartojimo prekių iki aviacijos, kur svarbus našumo ir svorio santykis.
Išvados
Kobe universiteto demonstracija, kaip pasiekti aukštos išeigos ir švarią PDCA mikrobinę sintezę, žymi reikšmingą žingsnį link tvarių, aukštos kokybės plastikų. Integravus azoto metabolizmą į pilną biosintetinį kelią ir išsprendus fermentų nestabilumo dėl vandenilio peroksido problemą, tyrimas atveria naujas galimybes aromatinių monomerų bio-gamybai. Tolimesni darbai bus skirti pašalinti poreikį cheminiams šalinimo priedams, dar labiau pagerinti išeigas ir patvirtinti ekonominius bei aplinkos privalumus pramoniniame mastelyje. Jei tai pavyks, PDCA galėtų pasiūlyti pramonei atsinaujinančią, biodegraduojamą alternatyvą PET indams, pluoštams ir specialiosioms medžiagoms.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai