Модифицированная кишечная палочка производит биотопливо

Все упомянутые виды биотоплива могут производить 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

Мировые энергетические системы зависят от ископаемых ресурсов, побуждая искать альтернативные источники энергии. Одним из них является биомасса. Биомассой можно назвать любой возобновляемый органический материал, который произвели животные и растения.

Некоторые виды биомассы: отходы животноводства, древесина, зерновые культуры и спиртосодержащие жидкости. Отходы растительного и животного происхождения в общем производстве биотоплива имеют наибольший вес. Однако генетически модифицированная кишечная палочка (E. coli) такое соотношение может изменить. E. coli - это грамотрицательные бактерии, которые имеются в кишечнике всех людей. Их можно генетически модифицировать, чтобы получить промотор и производить биотопливо.

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 утилизирует как пентозу, так и гексозу, в отличие от других изученных организмов, которые взаимодействуют только с одним из видов моносахаридов, что делает E. coli наиболее подходящим материалом, чтобы его модифицировать и производить биотопливо.

Виды биотоплива

Биоэтанол - это наиболее широко распространенный 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 работал на этаноле из кукурузы.

Однако этанол имеет низкую плотностью энергии. Поэтому альтернативные виды биотоплива, такие как бутанол и изопропанол обходят биоэтанол по экономической эффективности из-за их более высокой плотности энергии. В дополнение к этому, модифицированная кишечная палочка производит два монотерпеноида-прекурсора и три прекурсора-сесквитерпена - это многообещающая замена существующим видам авиационного топлива.

Подготовка E. coli к модификации

Все вышеупомянутые виды биотоплива могут производить 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 эндогенно продуцирует этанол, когда «один моль глюкозы метаболизируется в два моля формиата, два моля ацетата и один моль этанола».

Неизмененная E. coli в естественных условиях производит этанол в количестве всего 0,26 г на грамм глюкозы по сравнению с теоретическим выходом, равным 0,51 г. С помощью генной инженерии выход этанола увеличивается до минимальной концентрации 46 г/л среды, состоящей только из воды, соли и источника углерода.

С помощью аналогичных манипуляций E. coli производит н-бутанол с концентрацией 6,1 г/л и изопропанол с концентрацией 5 г/л. Чтобы понять, насколько важны эти значения, их надо рассматривать в контексте соответствующих плотностей энергии.

E. coli дает чистую плотность энергии 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.

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.

Есть опасения, что искусственно сконструированная кишечная палочка негативно повлияет на окружающую среду и здоровье человека. Поэтому биоинженеры должны ограничить метаболические возможности E. coli, чтобы она не выжила в естественной среде и не вызвала беспокойства у окружающих.

Источник: Stanford University