Искусственная биопленка для производства этилена из солнечной энергии Цианобактерии на поверхности водоема. Фото: Shutterstock

Исследователи заключили этилен-продуцирующие цианобактериальные клетки в тонкослойную матрицу из альгинатного природного полимера. Этот подход сильно ограничивает рост клеток, создавая мощный поток фотосинтетических метаболитов для биосинтеза этилена. Это также улучшает преобразование света в условиях низкой освещенности и значительно улучшает приспособляемость клеток

Этилен - одно из наиболее важных и широко используемых органических химикатов. Исследователи из университета Турку разработали тонкослойную искусственную биопленку со встроенными клеточными образованиями из цианобактерий, которые были специально модифицированы для фотосинтетического производства «зеленого» этилена. Искусственно изготовленные биопленки обеспечивают выработку этилена до 40 дней

Серьезные глобальные вызовы современности, включая изменение климата, энергетические потребности и нехватку природных ресурсов, способствуют переходу от линейной экономики, основанной на ископаемом топливе, к устойчивой, использующей замкнутый цикл и биотехнологии. Это требует дальнейшего развития альтернативных подходов в производстве возобновляемого топлива и ценных химикатов.

Фотосинтезирующие микроорганизмы, такие как цианобактерии и водоросли, обладают огромными возможностями для удовлетворения спроса на возобновляемые источники получения химических веществ и снижения глобальной зависимости от ископаемого топлива. Эти микроорганизмы могут использовать солнечную энергию для преобразования CO₂ в биомассу и различные богатые энергией органические соединения. Цианобактерии также могут использоваться для создания альтернативных методов синтетического производства, в которых они функционируют как фабрики из живых клеток, производящие нужные химикаты и топливо.

Этилен - один из важнейших органических коммерчески значимых химикатов, мировая потребность в котором превышает 150 миллионов тонн в год. Это основной компонент при производстве пластмасс, волокон и других органических материалов.

В исследовании использовались генно-модифицированные цианобактерии Synechocystis sp. PCC 6803, в которых был экспрессирован этилен-образующий фермент (EFE), полученный от патогена растений Pseudomonas syringae. По словам исследователей, присутствие EFE в клетках цианобактерий позволяет им производить этилен с использованием солнечной энергии и CO₂ из воздуха.

Этилен имеет высокую плотность энергии, поэтому он привлекателен в качестве источника получения топлива. В настоящее время этилен производят путем парового крекинга ископаемого углеводородного сырья, что приводит к огромному выбросу CO₂ в окружающую среду. Поэтому так важен поиск экологически чистых подходов к синтезу этилена.

Несмотря на то, что изучение рекомбинантных цианобактерий, продуцирующих этилен, дало многообещающие результаты, общая эффективность имеющихся фотосинтетических систем для промышленного применения остается все еще очень низкой. Этиленовая продуктивность искусственно модифицированных цианобактерий является наиболее важным компонентом системы, с помощью которого можно снизить затраты и повысить эффективность производства химических веществ. Цианобактерии в основном накапливают биомассу, а не производят желаемые продукты.

Цианобактерии обладают гигантской фотосинтетической светособирающей «антенной», которая приводит к самозатенению и ограниченному распределению света в суспензионных культурах, что снижает их продуктивность. И самой большой проблемой является то, что период производства химических веществ клетками короткий и составляет всего несколько дней.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи заключили этилен-продуцирующие цианобактериальные клетки в тонкослойную матрицу из альгинатного природного полимера. Этот подход сильно ограничивает рост клеток, создавая мощный поток фотосинтетических метаболитов для биосинтеза этилена. Это также улучшает преобразование света в условиях низкой освещенности и значительно улучшает приспособляемость клеток. В результате искусственные биопленки создают устойчивое фотопроизводство этилена в течение до 40 дней с эффективностью преобразования света в этилен в 3,5 раза выше, чем в обычных суспензионных культурах.

Эти открытия открывают новые возможности для дальнейшего развития эффективных фабрик твердотельных фотосинтетических клеток для производства этилена и масштабирования процесса до промышленного уровня.

 

Связанная статья журнала Green Chemistry:

https://doi.org/10.1039/D0GC01830A

 

Источник: University of Turku

Комментарии

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Другие публикации по теме