Модифицированная кишечная палочка для производства биотоплива Кишечная палочка. Pixabay

Все вышеупомянутые виды биотоплива могут быть произведены с помощью E. coli. Говоря общими словами, бактерии потребляя сахар как пищу, превращают его в аденозинтрифосфат (АТФ), и далее в процессе ферментации этот энергоноситель преобразуется в биотопливо

Усиление зависимости мировых энергетических систем от ископаемого топлива в сочетании с последующим истощением его запасов требует серьезного исследования альтернативных источников энергии. Одним из них является биомасса. Биомассой можно назвать любой возобновляемый органический материал, произведенный с помощью животных и растений.

Различные типы биомассы включают, но не ограничиваются ими: отходы животноводства, древесина, зерновые культуры и спиртосодержащее топливо. В настоящее время отходы растительного и животного происхождения в общем производстве биотоплива имеют наибольшее значение. Однако недавно привлекшая внимание генетически модифицированная кишечная палочка (E. coli) может это изменить. E. coli - это грамотрицательные бактерии, которые имеются в кишечнике всех людей, и могут быть генетически модифицированы, чтобы стать промотором для производства биотоплива.

Вопреки распространенному мнению, большинство штаммов E. coli безвредны и входят в состав микробиоты кишечника человека. E. coli хорошо изучена - на самом деле, это наиболее глубоко исследованный организм, когда речь идет о регуляции и экспрессии генов, и ее геном полностью расшифрован. Кроме того, E. coli может использовать как пентозу, так и гексозу, в отличие от других изученных организмов, которые используют только один из видов моносахаридов, что делает E. coli наиболее подходящим материалом для проведения генной инженерии при производстве биотоплива.

Виды биотоплива

Биоэтанол - это наиболее широко используемый вид биотоплива, имеющий долгую и всемирную историю. В 1876 году немецкий изобретатель Николаус Отто разработал первый современный двигатель внутреннего сгорания, работающий на этиловом спирте. В 1908 году в США был разработан автомобиль Ford Model T, известный как «Жестяная Лиззи», который мог работать на этаноле из кукурузы.

Однако широкое использование этанол пока не нашел. Это связано в том числе с его низкой плотностью энергии. Поэтому альтернативные виды биотоплива, такие как бутанол и изопропанол, могут стать более подходящей и экономически выгодной альтернативой биоэтанолу из-за их более высокой плотности энергии. В дополнение к этому, модифицированная кишечная палочка может производить два монотерпеноида-прекурсора реактивного топлива и три прекурсора сесквитерпена - им дается оценка как многообещающей экологически чистой альтернативе существующим видам авиационного топлива.

Подготовка E. coli к использованию с помощью генной инженерии

Все вышеупомянутые виды биотоплива могут быть произведены с помощью E. coli. Говоря общими словами, бактерии потребляя сахар как пищу, превращают его в аденозинтрифосфат (АТФ), и далее в процессе ферментации этот энергоноситель преобразуется в биотопливо. Более конкретно, в отсутствие кислорода E. coli может эндогенно продуцировать этанол посредством процесса, в котором «один моль глюкозы метаболизируется в два моля формиата, два моля ацетата и один моль этанола».

E. coli обычного неизмененного типа в естественных условиях может производить этанол в количестве всего 0,26 г на грамм глюкозы по сравнению с теоретическим выходом, равным 0,51 г. С помощью генной инженерии выход биотоплива можно увеличить, добавляя гены, экспрессирующие промотор выработки этанола, и получать его при минимальной концентрации 46 г/л среды, содержащей только воду, соли и источник углерода.

С помощью аналогичных манипуляций с помощью E. coli можно производить н-бутанол с концентрацией 6,1 г/л и изопропанол с концентрацией 5 г/л. Чтобы понять важность этих значений, полученные результаты должны быть помещены в контекст их соответствующих плотностей энергии.

E. coli дает чистую плотность энергии получаемого этанола:

0,046 кг/л × 30 МДж/кг = 1,38 МДж/л;

Бутанола:

0,0061 кг/л × 36 МДж/кг = 0,22 МДж/л;

Изопропанола:

0,005 кг/л × 33 МДж/кг = 0,165 МДж/л.

Топливо Плотность энергии
Бензин 47 МДж/кг
Бутанол 36 МДж/кг
Этанол 30 МДж/кг
Изопропанол 33 МДж/кг

Таблица 1: Энергетические плотности различных видов топлива.

Важно отметить, что значения объема в этих формулах относятся к минимальному объему среды, в которой растут бактерии. Хотя плотность энергии этанола ниже, чем у других видов биотоплива, его чистая плотность энергии получается в 6-8 раз выше, чем у бутанола и изопропанола, что делает его наиболее подходящим вариантом при использовании в качестве микробного топлива.

Хотя могут возникнуть опасения по поводу непреднамеренного воздействия искусственно сконструированной кишечной палочки на окружающую среду и здоровье человека, целью биоинженеров станет устранение метаболических возможностей E. coli, чтобы она не могла выжить в естественной среде. Таким образом, воздействие на окружающую среду не должно вызывать беспокойства.

 

Источник: Stanford University

Комментарии

Написать комментарий

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

Другие публикации по теме