5 Minuten
Proveržis: mikrobinė PET alternatyvos gamyba
Kobe universiteto bioinžinierių komanda praneša apie reikšmingą pažangą mikrobinėje PDCA (piridino dicarboksilio rūgštis, angl. pyridinedicarboxylic acid) gamyboje. PDCA yra biodegraduojamas monomeras, kurio polimerai pasižymi mechaninėmis savybėmis, palyginamomis — o tam tikrais aspektais net pranokančiomis — įprastinį polietileno tereftalatą (PET). Perprogramavę Escherichia coli metabolizmą, mokslininkai iš gliukozės maišomuosiuose bioreaktoriuose pagamino PDCA koncentracijomis, daugiau nei septynis kartus viršijančiomis ankstesnius pranešimus, ir atliko tai vengdami toksiškų cheminių šalutinių produktų susidarymo, kurie dažnai vargina hibridinius cheminius/biologinius kelius.
PDCA yra perspektyvus kandidatas aukštos kokybės, biologiškai pagrįstiems plastikams, naudojamiems pakuotėms, pluoštams ir plėvelėms. Skirtingai nei dauguma iš biomasės gaunamų molekulių, kurios sudarytos tik iš anglies, vandenilio ir deguonies, PDCA reikalauja azoto įterpimo į aromatinį karkasą — tai iki šiol buvo sudėtinga efektyviai įgyvendinti mikrobinėse sistemose. Kobe grupė sutelkė dėmesį į ląstelių azoto metabolizmo valdymą, kad visa PDCA molekulė būtų surenkama biologiškai, o ne dalinai chemiškai sintezuojama.
Mokslinis pagrindas ir eksperimentinis požiūris
Inžineriniai mikroorganizmai, gaminantys sudėtingus monomerus, paprastai reikalauja ne vietinių fermentų įdiegimo, metabolinio srauto optimizavimo ir kofaktorių bei pirmtakų tiekimo subalansavimo. Kobe universiteto komanda įterpė fermentų derinius, nukreipiančius gliukozės kilmės anglies ir įsisavinto azoto srautus į PDCA piridino žiedą ir karboksilato grupes. Jie optimizavo fermentacijos sąlygas stalinių bioreaktorių skalėje ir stebėjo produkto išeigą, šalutinių produktų susidarymą bei fermentų stabilumą.
Vienas kertinių techninių pasiekimų buvo nepageidaujamų šalutinių produktų, kurie dažnai susidaro chemo-enzimatinėse schemose, pašalinimas. Tyrėjai parodė, kad visiškai biologinis kelias gali švariai įterpti azotą, kas užtikrina grynesnį galutinį produktą ir supaprastina tolesnį valymą. Straipsnyje žurnale Metabolic Engineering autoriai praneša PDCA titrais, kurie viršija ankstesnius mikrobinės gamybos ataskaitas daugiau nei septynis kartus — tai reikšmingas žingsnis link pramoninio aktualumo.
Techniniai iššūkiai ir sprendimai
Vienas nuolatinis kamštis, su kuriuo susidūrė komanda, buvo heterologiškas fermentas, kaip šalutinė reakcija gaminęs vandenilio peroksidą (H2O2). H2O2 yra labai reaktyvus ir pažeidė patį fermentą, sukeldamas neigiamą grįžtamąjį ryšį, ribojantį PDCA sintezę. Grupė sumažino šią problemą patobulindama kultūros sąlygas ir pridėtine prie terpės įdėdama peroksidą naikinti skirtą junginį, kuris apsaugojo fermentą ir atkūrė srautą į PDCA kelią. Tyrėjai pripažįsta, kad priedų naudojimas kelia klausimų dėl kaštų ir logistikos mastelio didinimo atveju, todėl siūlo genetinius arba proceso inžinerijos sprendimus, kurie pašalintų būtinybę naudoti išorinius papildus.
Pagrindiniai atradimai, pasekmės ir tolesni žingsniai
Šis darbas suteikia tris svarbius laimėjimus biologiškai pagrįstų plastikų tyrimams: (1) įrodymą, kad mikroorganizmai gali surinkti azotu užpildytus aromatinius monomerus, (2) reikšmingą PDCA titro augimą bioreaktoriuose ir (3) praktinį fermentų nestabilumo, kurį sukelia reaktyviosios deguonies rūšys, sprendimą. Kartu šie pasiekimai plečia molekulių, pasiekiamų mikrobinės fermentacijos būdu, portfelį ir priartina PDCA prie komercinio svarstymo kaip alternatyvą petrocheminio pagrindo PET.
Autoriai aprašo kelis tobulinimo kelius: inžinerinius fermentų variantus, atsparius peroksidui, intracellularinių peroksidą skaidančių sistemų integravimą ir žaliavos–produkto išeigos optimizavimą. Pramoniniame lygmenyje reikės atlikti techno-ekonominę analizę ir gyvavimo ciklo vertinimą, kad būtų palyginti PDCA pagrindo polimerai su esamomis medžiagomis, atsižvelgiant į žaliavų tiekimą (gliukozė iš biomasės), energijos sąnaudas ir galutinio produkto biodegraduojamumą.
Ekspertų įžvalga
Dr. Maya Ortega, medžiagų mokslininkė, specializuojanti tvariuose poliimeruose, komentuoja: "Šis darbas yra svarbus koncepcijos patvirtinimas. Aukštų PDCA titrų pasiekimas bioreaktoriuose sprendžia įprastą kamštį — mastelio klausimą. Likę iššūkiai yra tipiniai: fermentų patikimumas ir kaštams konkurencingo tolimesnio apdirbimo užtikrinimas. Jei tai bus išspręsta, PDCA pagrindu pagaminti polimerai galėtų patekti į rinkas, kur reikalingas ir mechaninis našumas, ir biodegraduojamumas."
Be pakuočių ir tekstilės, azotu aprūpinti monomerai, tokie kaip PDCA, galėtų suteikti naujų funkcinių medžiagų klasių su pritaikytomis terminėmis ir barjerinėmis savybėmis, galinčiomis paveikti sektorius nuo vartojimo prekių iki aviacijos, kur našumas pagal svorį yra svarbus.
Išvados
Kobe universiteto demonstracija, rodanti aukštos išeigos ir švarią mikrobinę PDCA sintezę, žymi reikšmingą žingsnį link tvarių, aukštos kokybės plastikų. Integravus azoto metabolizmą į visą biosintetinį kelią ir išsprendus fermentų nestabilumo problemą, kurią sukėlė vandenilio peroksidas, tyrimas atveria naujus kelius aromatinių monomerų bioprodukcijai. Tolimesnis darbas bus orientuotas į išorinių cheminių skydų atsisakymą, papildomų išeigų didinimą ir ekonominių bei aplinkosauginių privalumų patvirtinimą masto didinimo sąlygomis. Sėkmės atveju PDCA galėtų pasiūlyti pramonei atsinaujinančią, biodegraduojamą PET alternatyvą indams, pluoštams ir specialiosioms medžiagoms.
Quelle: sciencedaily
Kommentare