Вставив ферменты из деревьев в бактерию, первый автор и аспирант Технологического института Джорджии Стивен Саррия, работающий под руководством доцента Памелы Перальта-Яхья, увеличил производство пинена в шесть раз по сравнению с предыдущими усилиями в области биоинженерии. Хотя перед тем, как димеры пинена смогут конкурировать с JP-10 на нефтяной основе, потребуются более существенные улучшения, ученые считают, что они определили основные препятствия, которые необходимо преодолеть для достижения этой цели.Об исследовании, финансируемом фондами стартапа Georgia Tech, присужденными лаборатории Перальта-Яхья, и Управлением науки Министерства энергетики США, было опубликовано 27 февраля 2014 года в журнале ACS Synthetic Biology.
«Мы создали экологически безопасный предшественник тактического топлива с высокой плотностью энергии», — сказал Перальта-Яхья, доцент Школы химии и биохимии и Школы химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии. «Мы сосредотачиваемся на том, чтобы сделать топливо, которое было бы« встраиваемым », точно так же, как то, что производится из нефти, и которое могло бы вписаться в существующие системы распределения».Топливо с высокой плотностью энергии важно в приложениях, где важно минимизировать вес топлива. Бензин, используемый для двигателей автомобилей, и дизельное топливо, используемое в основном в грузовиках, содержат меньше энергии на литр, чем JP-10. Молекулярное устройство JP-10, которое включает несколько напряженных колец атомов углерода, объясняет его более высокую плотность энергии.
Количество JP-10, которое может быть извлечено из каждого барреля нефти, ограничено, и источники потенциально сопоставимых соединений, таких как деревья, не могут оказать большой помощи. Ограниченное предложение приводит к тому, что цена JP-10 составляет около 25 долларов за галлон. Такая цена дает исследователям, работающим над альтернативой биотопливу, реальное преимущество перед учеными, работающими над заменой бензина и дизельного топлива.«Если вы пытаетесь создать альтернативу бензину, вы конкурируете с 3 долларами за галлон», — отметил Перальта-Яхья. «Это требует длительного процесса оптимизации.
Наш процесс будет конкурентоспособным с 25 долларами за галлон в гораздо более короткие сроки».В то время как много исследований было посвящено производству этанола и биодизельного топлива, сравнительно мало работ было сделано по замене высокоэнергетического JP-10.Перальта-Яхья и его сотрудники намеревались улучшить предыдущие усилия, изучая альтернативные ферменты, которые могут быть вставлены в бактерию E. coli. Они остановились на двух классах ферментов — трех пинен-синтазах (PS) и трех геранилдифосфат-синтазах (GPPS) — и экспериментировали, чтобы увидеть, какие комбинации дают наилучшие результаты.
Их результаты были намного лучше, чем предыдущие попытки, но исследователи были озадачены, потому что для другого углеводорода аналогичные ферменты производили больше топлива на литр. Поэтому они попытались сделать дополнительный шаг для повышения своей эффективности. Они разместили два фермента рядом друг с другом в клетках E. coli, гарантируя, что молекулы, продуцируемые одним ферментом, немедленно контактируют с другим. Это увеличило их производство до 32 миллиграммов на литр — намного лучше, чем ранее, но все еще не конкурентоспособно с JP-10 на нефтяной основе.
Перальта-Яхья считает, что проблема заключается во встроенных запретах процесса, которые будет сложнее устранить.«Мы обнаружили, что фермент ингибируется субстратом, и что ингибирование зависит от концентрации», — сказала она. «Теперь нам нужен либо фермент, который не ингибируется при высоких концентрациях субстрата, либо нам нужен путь, способный поддерживать низкие концентрации субстрата на протяжении всего цикла. Оба эти вопроса являются сложными, но не непреодолимыми».Чтобы быть конкурентоспособными, исследователям придется увеличить производство пинена в 26 раз.
Перальта-Яхья говорит, что это в пределах возможностей биоинженерии E. coli.«Несмотря на то, что мы все еще находимся на уровне миллиграммов на литр, поскольку продукт, который мы пытаемся производить, намного дороже, чем дизельное топливо или бензин, это означает, что мы относительно ближе», — сказала она.Теоретически можно производить пинен по более низкой цене, чем стоимость источников на основе нефти. Если это удастся сделать — и если полученное биотопливо будет хорошо работать в этих областях, — это может открыть дверь для более легких и более мощных двигателей, работающих за счет увеличения поставок высокоэнергетического топлива.
Димеры пинена, образующиеся в результате димеризации пинена, уже показали, что они имеют плотность энергии, аналогичную плотности энергии JP-10.