Wat heeft vliegtuigbrandstof gemeen met panty's en plastic frisdrankflessen? Het zijn allemaal producten die momenteel uit aardolie worden gewonnen. Wetenschappers van Sandia National Laboratories hebben een nieuwe technologie gedemonstreerd op basis van biotechnologische bacteriën die het economisch haalbaar zou kunnen maken om ze alle drie uit hernieuwbare plantaardige bronnen te produceren.

Economisch en efficiënt omzetten van taai plantaardig materiaal, genaamd lignine, is lange tijd een struikelblok geweest voor een breder gebruik van de energiebron en om deze kostenconcurrerend te maken. Samenvoegen van mechanismen van andere bekende lignine-afbrekers, Sandia bio-ingenieur Seema Singh en twee postdoctorale onderzoekers, Weihua Wu, nu bij Lodo Therapeutics Corp., en Fang Liu, hebben E. coli ontwikkeld tot een efficiënte en productieve celfabriek voor bioconversie.

"Voor jaren, we hebben onderzoek gedaan naar kosteneffectieve manieren om lignine af te breken en om te zetten in waardevolle platformchemicaliën, " zei Singh. "We pasten ons begrip van natuurlijke lignine-afbrekers toe op E. coli omdat die bacterie snel groeit en zware industriële processen kan overleven."

Het werk, "Op weg naar techniek" E coli met een autoregulerend systeem voor ligninevalorisatie, " werd onlangs gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences en werd ondersteund door Sandia's Laboratory Directed Research and Development-programma.

Een kostbaar proces omzetten in winstgevendheid

Lignine is het bestanddeel van plantencelwanden dat ze hun ongelooflijke kracht geeft. Het bruist van de energie, maar het verkrijgen van die energie is zo kostbaar en complex dat de resulterende biobrandstof economisch niet kan concurreren met andere vormen van transportenergie.

Eenmaal afgebroken, lignine heeft andere geschenken te geven in de vorm van waardevolle platformchemicaliën die kunnen worden omgezet in nylon, kunststoffen, geneesmiddelen en andere waardevolle producten. Toekomstig onderzoek kan zich richten op het aantonen van de productie van deze producten, omdat ze kunnen helpen de economie van biobrandstoffen en bioproductie in evenwicht te brengen. Of zoals Singh het zegt, "ze valoriseren lignine."

Drie problemen oplossen:kosten, toxiciteit en snelheid

Singh en haar team hebben drie problemen opgelost met het omzetten van lignine in platformchemicaliën. De eerste was de kosten. E coli produceren doorgaans niet de enzymen die nodig zijn voor het conversieproces. Wetenschappers moeten de bacteriën overhalen om de enzymen te maken door iets dat een inductor wordt genoemd, aan de fermentatiebouillon toe te voegen. Hoewel effectief, voor het activeren van de productie van enzymen, inductoren kunnen zo duur zijn dat ze onbetaalbaar zijn voor bioraffinaderijen.

De oplossing was om "de noodzaak van een dure inductor te omzeilen door de E. coli zo te ontwerpen dat van lignine afgeleide verbindingen zoals vanilline als zowel het substraat als de inductor dienen", zei Singh.

Vanilline is geen voor de hand liggende keuze om een ​​inductor te vervangen. De verbinding wordt geproduceerd als lignine wordt afgebroken en kan, bij hogere concentraties, remmen de zeer E coli bezig om het om te zetten. Dit stelde het tweede probleem:toxiciteit.

"Onze techniek zet het probleem van de substraattoxiciteit op zijn kop door de chemische stof die giftig is voor de... E coli om het complexe proces van ligninevalorisatie op gang te brengen. Zodra de vanilline in de fermentatiebouillon de enzymen activeert, de E coli begint de vanilline om te zetten in catechol, onze gewenste chemische, en de hoeveelheid vanilline bereikt nooit een toxisch niveau, "Zei Singh. "Het regelt automatisch."

Het derde probleem was efficiëntie. Terwijl de vanilline in de fermentatiebouillon over de membranen van de cellen beweegt om door de enzymen te worden omgezet, het was een langzame, passieve beweging. De onderzoekers zochten naar effectieve transporters van andere bacteriën en microben om dit proces te versnellen, zei Wu.

"We hebben een transporterontwerp van een andere microbe geleend en het in E coli , die helpt de vanilline in de bacteriën te pompen, " zei Liu. "Het klinkt vrij eenvoudig, maar het vergde veel fine-tuning om alles samen te laten werken."

Technische oplossingen zoals deze, die toxiciteits- en efficiëntieproblemen overwinnen, hebben het potentieel om de productie van biobrandstoffen economisch levensvatbaar te maken. De externe inductor-vrije, autoregulerende methode voor het valoriseren van lignine is slechts één manier waarop onderzoekers werken aan het optimaliseren van het proces van het maken van biobrandstoffen.

"We hebben dit stukje van de ligninevalorisatiepuzzel gevonden, een goed startpunt voor toekomstig onderzoek naar schaalbare, kosteneffectieve oplossingen, Singh zei. "Nu kunnen we werken aan de productie van grotere hoeveelheden platformchemicaliën, technische trajecten naar nieuwe eindproducten, en rekening houdend met andere microbiële gastheren dan E coli ."