Cosa ha in comune il carburante per aerei con i collant e le bottiglie di plastica della soda? Sono tutti prodotti attualmente derivati ​​dal petrolio. Gli scienziati dei Sandia National Laboratories hanno dimostrato una nuova tecnologia basata su batteri bioingegnerizzati che potrebbe rendere economicamente fattibile la produzione di tutti e tre da fonti vegetali rinnovabili.

Conversione economica ed efficiente della materia vegetale dura, chiamato lignina, è stato a lungo un ostacolo per un uso più ampio della fonte di energia e per renderla competitiva in termini di costi. Mettendo insieme i meccanismi di altri noti degradatori della lignina, Il bioingegnere di Sandia Seema Singh e due ricercatori post-dottorato, Weihua Wu, ora a Lodo Therapeutics Corp., e Fang Liu, hanno trasformato E. coli in una fabbrica di cellule di bioconversione efficiente e produttiva.

"Per anni, abbiamo cercato modi convenienti per abbattere la lignina e convertirla in preziose sostanze chimiche della piattaforma, " Singh ha detto. "Abbiamo applicato la nostra comprensione dei degradatori naturali della lignina a E. coli perché quel batterio cresce rapidamente e può sopravvivere a duri processi industriali".

Il lavoro, "Verso l'ingegneria E. coli con un sistema di autoregolamentazione per la valorizzazione della lignina, " è stato recentemente pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ed è stato supportato dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia.

Ingegnerizzare un processo costoso in redditività

La lignina è il componente delle pareti cellulari delle piante che conferisce loro la loro incredibile forza. È pieno di energia, ma arrivare a quell'energia è così costoso e complesso che il biocarburante risultante non può competere economicamente con altre forme di trasporto energetico.

Una volta scomposto, la lignina ha altri doni da offrire sotto forma di preziosi prodotti chimici per piattaforme che possono essere convertiti in nylon, plastica, prodotti farmaceutici e altri prodotti di valore. La ricerca futura potrebbe concentrarsi sulla dimostrazione della produzione di questi prodotti, in quanto potrebbero contribuire a riequilibrare l'economia dei biocarburanti e della bioproduzione. O come dice Singh, "valoriscono la lignina".

Risolvere tre problemi:costo, tossicità e velocità

Singh e il suo team hanno risolto tre problemi con la trasformazione della lignina in prodotti chimici per piattaforme. Il primo era il costo. E. coli tipicamente non producono gli enzimi necessari per il processo di conversione. Gli scienziati devono convincere i batteri a produrre gli enzimi aggiungendo qualcosa chiamato induttore al brodo di fermentazione. Pur essendo efficace, per l'attivazione della produzione di enzimi, gli induttori possono essere così costosi da risultare proibitivi per le bioraffinerie.

La soluzione era "eludere la necessità di un induttore costoso ingegnerizzando l'E. coli in modo che i composti derivati ​​dalla lignina come la vanillina servano sia come substrato che come induttore", ha detto Singh.

La vanillina non è una scelta ovvia per sostituire un induttore. Il composto viene prodotto quando la lignina si scompone e può, a concentrazioni più elevate, inibire il molto E. coli lavorando per convertirlo. Questo poneva il secondo problema:la tossicità.

"La nostra ingegneria capovolge il problema della tossicità del substrato consentendo proprio la sostanza chimica che è tossica per il E. coli per avviare il complesso processo di valorizzazione della lignina. Una volta che la vanillina nel brodo di fermentazione attiva gli enzimi, il E. coli inizia a convertire la vanillina in catecolo, la nostra sostanza chimica desiderata, e la quantità di vanillina non raggiunge mai un livello tossico, " Ha detto Singh. "Si regola automaticamente".

Il terzo problema era l'efficienza. Mentre la vanillina nel brodo di fermentazione si muove attraverso le membrane delle cellule per essere convertita dagli enzimi, era un lento, movimento passivo. I ricercatori hanno cercato trasportatori efficaci da altri batteri e microbi per seguire rapidamente questo processo, ha detto Wu.

"Abbiamo preso in prestito il design di un trasportatore da un altro microbo e l'abbiamo progettato in E. coli , che aiuta a pompare la vanillina nei batteri, " Liu ha detto. "Sembra piuttosto semplice, ma ci sono volute molte messe a punto per far funzionare tutto insieme."

Soluzioni ingegneristiche come queste, che superano i problemi di tossicità ed efficienza hanno il potenziale per rendere la produzione di biocarburanti economicamente sostenibile. L'esterno privo di induttori, Il metodo di autoregolazione per la valorizzazione della lignina è solo uno dei modi in cui i ricercatori stanno lavorando per ottimizzare il processo di produzione di biocarburanti.

"Abbiamo trovato questo pezzo del puzzle di valorizzazione della lignina, fornendo un ottimo punto di partenza per la ricerca futura su scalabili, soluzioni economiche, " ha detto Singh. "Ora possiamo lavorare sulla produzione di maggiori quantità di prodotti chimici di piattaforma, percorsi ingegneristici verso nuovi prodotti finali, e considerando ospiti microbici diversi da E. coli ."