5 Minutės
Mikrobinis kelias prie labiau biologiškai skaidžių plastikų ingredientų
Plastikas yra šiuolaikinio gyvenimo pagrindas, tačiau jis vis dar brangus aplinkai: jo gamyba intensyviai naudoja iškastinį kurą ir didelė dalis jo išlieka kaip tarša. Kobe universiteto (Japonija) mokslininkai praneša apie reikšmingą pažangą gaminant piridindikarbo rūgštį (PDCA) — azotą turintį monomerą, kurį galima įterpti į poliesterio plastiką, kad padidėtų jo biologiškas skaidumas ir sumažėtų priklausomybė nuo naftos kilmės tereftalo rūgšties. Tyrėjai pagamino šią plastikų alternatyvą daug didesniais kiekiais nei anksčiau. (Tanaka Tsutomu)
PDCA nėra gatavas plastiko produktas, o alternatyvus polimerų, pvz. PET (polietileno tereftalato), statybinis blokas. Pakeitus nebiologiškai skaidžius monomerus PDCA, galima pagaminti plastiką, kuris išlaiko pageidaujamas mechanines savybes ir tuo pačiu tampa lengviau skaidomas tinkamomis sąlygomis. Ankstesni tyrimai nurodė PDCA potencialą; naujas Kobe universiteto darbas sutelktas į PDCA tiekimą didesniais išeigomis ir su švaresne chemija — tai yra esminiai reikalavimai pramoniniam pritaikymui.
Metabolinė inžinerija ir proceso patobulinimai
Komanda panaudojo inžinerines Escherichia coli ląsteles, tiekiamas gliukoze ir aprūpintas parinktais fermentais, kad nukreiptų metabolizmą PDCA gamybos link.
PDCA buvo pagaminta naudojant E. coli ir fermentus. (Katano et al., Metab. Eng., 2025)
Pagrindiniai techniniai pakeitimai
- Fermentų parinkimas: Tyrėjai įvedė fermentus iš azoto metabolizmo, kad mikrobas galėtų tiesiogiai inkorporuoti azotą į augantį aromatinį žiedą, vengiant atskirų cheminio aminavimo etapų.
- Proceso optimizavimas: Kultūros sąlygų ir reakcijos eiliškumo patobulinimai padidino PDCA išeigas maždaug septynis kartus, palyginti su ankstesniais metodais.
- Šalutinių produktų kontrolė: Pradinės modifikacijos sukėlė toksišką šalutinį produktą, susijusį su vandenilio peroksido (H2O2) susidarymu. Komanda išsprendė šią problemą pridėjusi piruvato pagrindu veikiančią šalinimo priemonę ir sureguliavusi kultūros parametrus, kad neutralizuotų H2O2 be papildomų teršalų susidarymo.
Šie patobulinimai rodo, kad ląstelinės metabolinės reakcijos gali švariai ir veiksmingai atlikti azoto inkorporaciją — tai svarbus žingsnis, nes daugelyje sintetinių kelių azoto turintiems monomerams naudojami pavojingi reagentai arba susidaro toksiškos atliekos. Pasak vyresniojo bioinžinieriaus Tanaka Tsutomu, „Mūsų grupė prie iššūkio priėjo nauju kampu. Siekėme panaudoti ląstelių metabolizmą azotui asimiliuoti ir sukonstruoti junginį nuo pradžios iki pabaigos.“ Jis pridūrė, kad darbas parodo, kad metabolinės reakcijos gali įterpti azotą neleidžiant susidaryti nepageidaujamiems šalutiniams produktams, taip užtikrinant švaresnę tikslinių junginių sintezę.
Nepaisant išeigos ir grynumo pagerėjimo, autoriai įspėja, kad piruvato ar panašių šalinimo priemonių pridėjimas kelia ekonominius ir logistinius klausimus plataus masto gamybai. Tolimesnis masto didinimas turės įvertinti reagentų kainas, tolesnio valymo reikalavimus ir reaktyvių talpų konstrukciją, lyginant su aplinkos privalumais ir produkcijos savybėmis.
Pasekmės, susijusios medžiagos ir ateities perspektyvos
PDCA geresnė mikrobinė gamyba priartina jį prie komercinio tinkamumo kaip biobazinio pakeičiamo monomero naftos kilmės monomerams poliesterio gamyboje. Junginį galima pagaminti iš atsinaujinančių žaliavų (pvz., gliukozės) bioreaktorių sistemose, kas leidžia integruotą biopramonės požiūrį, kuriame žaliava, inžinerinės mikrobų linijos ir reaktorių sąlygos yra bendru sutarimu optimizuojamos.
Atsiranda ir susijusios biomedžiagos: šiemet buvo pranešta apie bakterinę celiuliozę sujungtą su heksagoniniu boronitru (BCBN), iliustruojant, kaip mikrobiniai produktai gali būti struktūruojami tam, kad pagerintų mechanines ir terminės savybes. Kartu šie atradimai rodo platesnę medžiagų mokslo tendenciją link biologiniu būdu gautų, gerai veikiančių alternatyvų, kurios mažina priklausomybę nuo iškastinių išteklių.
Masto didinimo iššūkiai išlieka reikšmingi: proceso ekonomika, reagentų tiekimas (įskaitant bet kokias H2O2 šalinimo priemones, pvz., piruvatą), naujų polimerinių cheminių medžiagų reguliacinis patvirtinimas ir gyvenimo ciklo analizė, patvirtinanti bendrą aplinkos naudą. Vis dėlto praneštas PDCA išeigos septynkartinis padidėjimas ir ankstesnių toksiškų atliekų pašalinimas yra svarbūs etapai pramoninėje biotechnologijoje ir tvarių medžiagų plėtroje.
Eksperto komentaras
Dr. Mira Patel, medžiagų mokslininkė (fiktyvu), komentuoja: „Šis darbas yra pragmatiškas metabolinės inžinerijos pavyzdys, kaip galima gauti monomerus, kurių anksčiau dominavo naftos chemija. Praktiniai iššūkiai — šalinimo priemonių kaina, valymas ir polimerų testavimas — yra realūs, tačiau biologija kaip pirmasis požiūris mažina atstumą tarp laboratorinio tvarumo ir pramoninės realybės. Jei PDCA pagrįsti poliesteriai bus suderinami su esamomis perdirbimo srovėmis, jų diegimas galėtų būti spartesnis.“
Išvados
Kobe universiteto komandos metabolinės inžinerijos strategija žymiai padidina PDCA gamybą ir sumažina toksiškų šalutinių produktų kiekį, taip užtikrinant biobazinį kelią link labiau biologiškai skaidžių poliesterio monomerų. Nors komercinis masto diegimas vis dar reikalauja išspręsti reagentų kainų, reaktorių dizaino ir tolesnio apdorojimo klausimus, šis tyrimas išplečia molekulių, prieinamų per mikrobinę sintezę, spektrą ir sustiprina argumentą už biopagamintus, mažesnio poveikio plastikų sprendimus.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą