Un team guidato dai Sandia National Laboratories ha dimostrato più velocemente, modi più efficienti per trasformare la materia vegetale scartata in sostanze chimiche del valore di miliardi. I risultati del team potrebbero aiutare a trasformare l'economia della produzione di combustibili e altri prodotti da fonti rinnovabili coltivate a livello nazionale.

lignina, il materiale duro rimasto dalla produzione di biocarburanti, contiene composti che possono essere convertiti in prodotti come il nylon, plastica e farmaci. È uno dei componenti principali delle pareti cellulari delle piante, e conferisce alle piante integrità strutturale e protezione dagli attacchi microbici.

I prodotti ottenuti dalla lignina convertita potrebbero sovvenzionare la produzione di biocarburanti, rendendo il costo dei biocarburanti più competitivo rispetto al petrolio. Sfortunatamente, la tenacità della lignina rende anche difficile l'estrazione dei suoi preziosi composti. Gli scienziati hanno lottato per decenni con la decostruzione. Di conseguenza, la lignina spesso rimane inutilizzata in pile giganti.

Il bioingegnere di Sandia Seema Singh e il suo team hanno dimostrato due nuove vie per la conversione della lignina che combinano i vantaggi dei metodi precedenti riducendo al minimo i loro svantaggi. Le recenti scoperte del team sono descritte nella rivista Rapporti scientifici .

Un percorso ibrido chimico e biologico in avanti

Per rompere i legami tra i composti che compongono la lignina, gli scienziati hanno impiegato sostanze chimiche o organismi minuscoli come batteri o funghi. I metodi biologici più delicati consentono la produzione di composti mirati specifici. Ma per abbattere completamente la lignina usando questo approccio possono volerci settimane o addirittura mesi.

Al contrario, i prodotti chimici aggressivi possono decostruire la lignina in ore o addirittura minuti. Ma questo metodo richiede catalizzatori costosi ed è talvolta tossico, e quindi insostenibile. Peggio, i metodi chimici portano a una miscela di composti che appaiono ciascuno in quantità estremamente piccole.

"Si ottiene un po' di moltissime sostanze chimiche quando si scompone la lignina in questo modo, " ha spiegato Singh. "Le quantità rese non sono terribilmente utili."

Il suo team ha dimostrato due nuove tecniche che incorporano la velocità di un metodo chimico e la precisione di uno biologico. In entrambi i casi, Il team di Singh alla fine ha prodotto sostanze chimiche di alto valore che attualmente derivano solo dal petrolio:acido muconico e pirogallolo.

L'acido muconico può essere facilmente trasformato in nylon, plastica, resine o lubrificanti, e il pirogallolo ha applicazioni antitumorali. Insieme, Singh riporta, queste sostanze chimiche hanno un valore di mercato combinato di 255,7 miliardi di dollari. "L'acido muconico è ciò che chiamiamo una sostanza chimica della piattaforma. Da lì, creare nuovi prodotti è davvero solo una questione di fantasia, " lei disse.

La bioingegneria accorcia ulteriormente il processo di conversione

Il primo nuovo metodo di conversione del team è un processo a più fasi che inizia pretrattando la lignina con una soluzione debole di perossido di idrogeno e acqua. Dal trattamento risultano molecole intermedie vanillina e siringato.

Un ceppo di E. coli appositamente modificato dal microbiologo di Sandia Weihua Wu consuma poi questi composti intermedi, diversi composti aggiuntivi emergono nel mix, e alla fine il processo porta alle due sostanze chimiche finali.

Però, Singh non era soddisfatto della quantità di acido muconico prodotta da questo processo. Così, lei e il suo team si sono sfidati a trovare un modo per massimizzare la loro resa di acido muconico, e testato un secondo metodo di conversione.

Il secondo metodo salta il processo di dover abbattere del tutto la lignina. Anziché, il team ha ingegnerizzato geneticamente una pianta di tabacco. Man mano che cresce, la pianta produce elevate quantità di composto intermedio protocatecuato, noto come PCA. Quindi, gli unici passaggi rimanenti erano estrarre quel composto e utilizzare l'E. coli ingegnerizzato per produrre l'acido muconico.

"In pratica abbiamo saltato tre quarti dei passaggi che stavamo facendo in precedenza, progettando l'impianto per coltivare sostanze chimiche intermedie, " Singh ha detto. "Il PCA può essere facilmente estratto dal tabacco modificato e convertito in acido muconico con poco sforzo".

Questo percorso impiantistico non è solo più efficiente, ma risolve anche con successo la sfida autoimposta dal team di massimizzare la resa di acido muconico fino al 34% rispetto ai precedenti metodi di conversione.

I metodi ibridi sono la chiave per gli sforzi futuri

Sandia ha finanziato la maggior parte del lavoro su questo progetto attraverso il suo programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio. Il lavoro di ingegneria della pianta del tabacco è stato svolto dai collaboratori di Singh della divisione materie prime presso il Joint BioEnergy Institute di Emeryville, California, tra cui Dominique Loque e Aymerick Eudes.

Singh dirige il programma di pretrattamento della biomassa presso l'istituto, che è composto da scienziati di un consorzio di laboratori tra cui il Lawrence Berkeley National Laboratory. Ritiene che la ricerca futura sull'aumento del valore economico della lignina sarà fortemente influenzata dalle dimostrazioni del suo team.

La sfida più grande in questo campo sarà massimizzare ulteriormente la resa di sostanze chimiche preziose e la velocità con cui possono essere rese. "Tutti capiscono che gli approcci ibridi sono fondamentali per la valorizzazione della lignina, " ha detto Singh.

L'adozione industriale di questa tecnologia dipenderà dalla capacità di produrre rapidamente grandi quantità di prodotti di alto valore. "Se puoi guadagnare solo milligrammi in un mese da un bug, che semplicemente non lo taglierà, " Ha detto Singh. "Vuoi che gli organismi producano quantità di chilogrammi in meno di un'ora, idealmente."