Но при нынешних ценах на нефть около 50 долларов за баррель это вряд ли произойдет в ближайшее время.Несмотря на несколько крупных национальных исследовательских инициатив, никому не удалось придумать революционную технологию возобновляемого биотоплива, которая привела бы к более дешевой альтернативе бензину.
Эта исследовательская задача заставила ученых ASU, Рида Картрайта и Сюань Ванга, вступить в борьбу, объединившись, чтобы попытаться преодолеть узкое место в инновациях для возобновляемого биопроизводства топлива и химикатов.«Моя лаборатория была очень заинтересована в преобразовании биомассы, такой как сельскохозяйственные отходы и даже углекислый газ, в полезные и возобновляемые продукты на биологической основе», — сказал Ван, доцент Школы естественных наук. «Как микробиолог, я заинтересован в использовании микробов в качестве биокатализаторов, чтобы работать лучше».Для этого они изучили новый подход — использование силы эволюции методом проб и ошибок, чтобы уговорить природу дать ответ.
Выращивая бактерии в течение нескольких поколений в специально контролируемых условиях в ферментационных чанах, они получили бактерии, эволюционировавшие в пробирках, чтобы лучше сбраживать сахара, полученные из биомассы — богатого потенциального возобновляемого источника энергии для производства биотоплива и химикатов.Их результаты недавно появились в онлайн-издании PNAS.
В состав исследовательской группы входят докторанты Кристиан Сиверт, Лизбет Нивес, Ларри Паньон, Тейлор Леффлер и Чендлер Моррис, и ее возглавляли Рид Картрайт и Сюань Ван, в сотрудничестве между Школой наук о жизни ASU и Институтом биодизайна.Сладкая проблемаПривлекательность растений идеальна. Просто добавьте немного углекислого газа, воды и обильного солнечного света — и готово!
У общества появился новый богатый источник возобновляемого углерода.Кукурузный этанол (использующий крахмал из кукурузы для производства алкоголя в основном в США) был одним из основных направлений биотоплива, а сахарный тростник — другой альтернативой (в изобилии в Бразилии), но у него есть большой недостаток. Превращение богатых сахаром зерен кукурузы или сахарного тростника в этанол соперничает с пищевыми продуктами.
Таким образом, ученые за последние несколько десятилетий перешли к исследованиям по превращению непищевых растительных материалов в биотопливо и химические вещества. Эти так называемые лигноцеллюлозные биомассы, такие как просо просо и несъедобные части кукурузы и сахарного тростника (солома, шелуха, мешки и т. Д.), Богаты ксилозой, пятиуглеродным, богатым энергией сахаром по сравнению с глюкозой.
Лигноцеллюлозная биомасса содержит большое количество глюкозы и ксилозы, но промышленные штаммы кишечной палочки не могут использовать ксилозу, потому что, когда глюкоза доступна, она отключает использование ксилозы. Таким образом, на сегодняшний день полностью собрать и преобразовать ксилозу в биотопливо было неэффективно и дорого.
Настольная эволюцияВан и Картрайт хотели выжать больше энергии из сахаров ксилозы.
Для этого они бросили вызов бактериям E coli, которые могли комфортно процветать на глюкозе, и заменили бульон питательной среды исключительно на ксилозу.Бактерии будут вынуждены адаптироваться к новым источникам пищи или проиграть конкуренцию росту.Они начали с одной колонии генетически идентичных бактерий и провели три отдельных эволюционных эксперимента с ксилозой. Сначала бактерии росли очень медленно.
Но замечательно, что не более чем за 150 поколений бактерии адаптировались и, в конце концов, научились процветать в бульоне с ксилозой.Затем они выделили ДНК бактерий и использовали технологию секвенирования ДНК следующего поколения, чтобы изучить изменения в геномах бактерий. Когда они считывали данные ДНК, они могли идентифицировать явные признаки эволюции в действии, мутаций.
Природа находит способБактерии, подвергшиеся заражению, случайным образом мутировали свою ДНК до тех пор, пока не смогли адаптироваться к новым условиям. Они сохраняли наиболее подходящие мутации на протяжении поколений, пока не превратились в фиксированные полезные мутации.И в любом случае, при введении ксилозы, бактерии могли хорошо расти.
Их следующей задачей было выяснить, что это за полезные мутации и как они работают. Чтобы лучше расти на ксилозе, три бактериальные линии E. coli «обнаружили» другой набор мутаций одних и тех же генов. Все единичные мутации, выявленные исследовательской группой, могут усилить ферментацию ксилозы за счет изменения метаболизма сахара в бактериях.
«Это говорит о том, что потенциально существует несколько эволюционных решений одной и той же проблемы, и генетический фон бактерии может предопределять ее эволюционные траектории», — сказал Картрайт, исследователь из Института биодизайна АГУ и доцент Школы наук о жизни.Самая интересная мутация произошла в регуляторном белке под названием XylR, нормальная функция которого — контролировать использование ксилозы. Всего два аминокислотных переключателя в XylR могут усилить утилизацию ксилозы и высвободить репрессию глюкозы даже у немутантных исходных хозяев.
С помощью некоторых хитроумных генетических уловок, когда мутант XlyR был помещен обратно в нормальный штамм «дикого типа» или промышленный биокатализатор E. coli, он также мог расти на ксилозе и глюкозе, что значительно повысило урожайность. Команда Вана отметила увеличение продукта на 50% после 4 дней ферментации.Совместное изобретение Ванга и Картрайт значительно увеличило потенциал промышленной кишечной палочки для производства биотоплива из лигноцеллюлозных материалов. Кроме того, они могли бы использовать тот же генетический подход для других штаммов E. coli для разных продуктов.
Arizona Technology Enterprises (AzTE) подает предварительный патент на свое открытие. Ван надеется, что они смогут сотрудничать с промышленностью, чтобы расширить масштабы своей технологии и посмотреть, повысит ли это изобретение экономическую жизнеспособность биопроизводства.
«С этими новыми результатами, я считаю, мы решили одно большое и постоянное узкое место в этой области», — заключил Ван.