5 Minuten
Microbial route to a more biodegradable plastic ingredient
Plastikas yra modernios visuomenės pagrindas, tačiau jis turi didelę kainą aplinkai: jo gamyba intensyviai naudoja iškastinį kurą ir didelė dalis plastiko lieka kaip tarša. Kobe universiteto Japonijoje tyrėjai praneša apie reikšmingą pažangą gaminant piridindikarbochinę rūgštį (PDCA) – azotą turinčią monomerinę junginį, kurią galima įterpti į poliesterinius plastikų poliomerus, kad jie taptų labiau biodegraduojami ir mažiau priklausytų nuo naftos kilmės tereftalo rūgšties. Tyrėjai pagamino šią plastiko alternatyvą kur kas didesniais kiekiais nei anksčiau. (Tanaka Tsutomu)
PDCA nėra galutinis plastiko produktas, bet alternatyvus polimerų, tokių kaip PET (polietileno tereftalatas), statybos blokas. Pakeitus nebiodegraduojančius monomerus PDCA, galima pagaminti plastiką, kuris išlaiko pageidaujamas mechanines savybes ir tuo pačiu tampa lengviau suskaidomas tinkamomis sąlygomis. Ankstesni tyrimai pabrėžė PDCA potencialą; naujasis Kobe universiteto darbas orientuotas į PDCA gamybą didesniais išeigomis ir švaresne chemija – tai yra pagrindiniai reikalavimai pramoniniam diegimui.
Metabolic engineering and process improvements
Komanda naudojo genetiškai modifikuotas Escherichia coli ląsteles, maitintas gliukoze ir aprūpintas atrinktais fermentais, kad metabolizmas būtų nukreiptas PDCA sintezei.
PDCA buvo pagamintas naudojant E. coli ir fermentus. (Katano et al., Metab. Eng., 2025)
Key technical changes
- Fermentų parinkimas: tyrėjai įvedė fermentus iš azoto metabolizmo, kad mikrobas galėtų tiesiogiai įterpti azotą į besiformuojantį aromatinį žiedą, taip išvengiant atskirų cheminio aminavimo etapų.
- Proceso optimizavimas: pagerinus auginimo sąlygas ir reakcijų sekas, PDCA išeiga padidėjo maždaug septynis kartus, palyginti su ankstesnėmis metodikomis.
- Šoninių produktų kontrolė: pradinės modifikacijos sukėlė toksišką šalutinį produktą, susijusį su vandenilio peroksido (H2O2) susidarymu. Komanda tai išsprendė pridedant piruvato pagrindu veikiantį šalinimo reagentą ir pakoregavus kultūros parametrus, kad neutralizuotų H2O2 be papildomų teršalų susidarymo.
Šie patobulinimai rodo, kad ląstelių metaboliniai procesai gali įterpti azotą švariai ir efektyviai – tai svarbus žingsnis, nes daugelyje cheminio sintezės kelių azotą turinčių monomerų gavimas reikalauja pavojingų reagentų arba generuoja toksiškas atliekas. Pasak vyriausiojo bioinžinieriaus Tanaka Tsutomu, "Mūsų grupė prie šios problemos priėjo iš naujo kampo. Siekėme pasinaudoti ląstelių metabolizmu azoto asimiliacijai ir junginio statybai nuo pradžios iki pabaigos." Jis pridūrė, kad darbas parodo, jog metabolinės reakcijos gali įterpti azotą be nepageidaujamų šalutinių produktų, leidžiant taip švaresnę tikslo junginių sintezę.
Nepaisant išaugusių išeigų ir grynumo, autoriai įspėja, kad piruvato ar panašių šalinimo reagentų pridėjimas įveda ekonominių ir logistinių aspektų didelio masto gamybai. Tolimesnės mastelio didinimo studijos turės įvertinti reagentų kaštus, galutinio produkto valymą ir reaktorių konstrukciją lygiagrečiai su aplinkosaugos privalumais ir produkto našumu.
Implications, related materials and future prospects
Patobulinta PDCA mikrobinė gamyba priartina šią medžiagą prie komercinio gyvybingumo kaip biologiškos alternatyvos naftos kilmės monomerams poliesterių gamyboje. Junginys gali būti gaunamas iš atsinaujinančių žaliavų (pvz., gliukozės) bioreaktoriuose, rodydamas integruoto bio-gamybos požiūrį, kuriame žaliava, modifikuotos mikrobinės ląstelės ir reaktoriaus sąlygos yra kartu optimizuojamos.
Kiti susiję biomedžiagų sprendimai taip pat formuojasi: šiais metais buvo pranešta apie bakterinio celiuliozės ir heksagono boraztilio nitrido (BCBN) junginį, demonstruojantį, kaip mikrobiniai produktai gali būti struktūrizuoti siekiant pagerintų mechaninių ir šiluminių savybių. Kartu šie pasiekimai atspindi platesnę medžiagų mokslo tendenciją link biologiniu būdu gautų, aukštos kokybės alternatyvų, mažinančių priklausomybę nuo iškastinių išteklių.
Mastelio didinimo iššūkiai išlieka reikšmingi: proceso ekonomika, reagentų tiekimas (įskaitant bet kokius H2O2 šalinimo reagentus, kaip piruvatas), naujų polimerų cheminių sprendimų reguliavimo patvirtinimas ir gyvavimo ciklo analizė, patvirtinanti bendrą aplinkos naudos balansą. Vis dėlto praneštas PDCA išeigos septyniskai padidėjimas ir ankstesnių toksiškų atliekų pašalinimas yra svarbūs etapai pramoninei biotechnologijai ir tvarių medžiagų plėtrai.
Expert Insight
Dr. Mira Patel, medžiagų mokslininkė (fiktyvi), komentuoja: "Šis darbas yra pragmatiškas pavyzdys, kaip metabolinė inžinerija gali pasiekti monomerus, kurie anksčiau buvo naftos chemijos domenas. Praktiniai iššūkiai – šalinimo reagentų kaina, valymas ir polimerų bandymai – yra realūs, tačiau biologija kaip pirmasis pasirinkimas sumažina spragą tarp laboratorinės tvarumo idėjos ir pramoninės realybės. Jeigu PDCA pagrindu pagaminti poliesteriai bus suderinami su esamomis perdirbimo grandinėmis, jų diegimas gali pagreitėti."
Conclusion
Kobe universiteto komandos metabolinės inžinerijos strategija ženkliai padidina PDCA gamybą, sumažindama toksiškų šalutinių produktų kiekį ir skelbdama biologiškai pagrįstą kelią prie labiau biodegraduojamų poliesterių monomerų. Nors komerciniam masteliui dar reikia spręsti reagentų sąnaudas, reaktorių projektavimą ir galutinį valymą, šis tyrimas išplečia molekulių, pasiekiamų per mikrobinę sintezę, spektrą ir sustiprina argumentus už biologiškai gaminamus, mažesnio poveikio plastikų sprendimus.
Quelle: sciencealert
Kommentar hinterlassen