Как любящие сахар микробы могут помочь в двигателях автомобилей будущего
26.11.2021

Это похоже на современную алхимию: превращение сахара в углеводороды, содержащиеся в бензине.

Но именно это и сделали ученые.

В предстоящем исследовании, опубликованном в журнале Nature Chemistry, исследователи сообщают об использовании чудес биологии и химии для превращения глюкозы (одного из видов сахара) в олефины (один из углеводородов и один из нескольких типов молекул, из которых состоит бензин).

Проект возглавляли биохимики Чжэнь К. Ван из Университета Баффало и Мишель Чанг из Калифорнийского университета в Беркли.

Этот документ, который будет опубликован 22 ноября, знаменует собой прогресс в усилиях по созданию экологически безопасного биотоплива.

По словам Ванга, олефины составляют небольшой процент молекул в бензине, который производится в настоящее время, но процесс, разработанный командой, вероятно, может быть скорректирован в будущем для получения и других типов углеводородов, включая некоторые другие компоненты бензина. Она также отмечает, что олефины имеют нетопливное применение, поскольку они используются в промышленных смазках и в качестве прекурсоров для производства пластмасс.

Двухэтапный процесс с использованием микробов, поедающих сахар, и катализатора.

Чтобы завершить исследование, исследователи начали с кормления глюкозой штаммов кишечной палочки, которые не представляют опасности для здоровья человека.

«Эти микробы – сахарные наркоманы, даже хуже, чем наши дети», – шутит Ван.

E. coli в экспериментах была генетически модифицирована для производства набора из четырех ферментов, которые превращают глюкозу в соединения, называемые 3-гидроксижирными кислотами. По мере того как бактерии потребляли глюкозу, они также начали производить жирные кислоты.

Чтобы завершить преобразование, команда использовала катализатор под названием пятиокись ниобия (Nb2O5), чтобы отщепить нежелательные части жирных кислот в химическом процессе с образованием конечного продукта: олефинов.

Ученые идентифицировали ферменты и катализатор методом проб и ошибок, тестируя различные молекулы со свойствами, которые соответствовали поставленным задачам.

«Мы объединили то, что биология может сделать лучше всего, с тем, что химия может сделать лучше всего, и мы объединили их, чтобы создать этот двухэтапный процесс», – говорит Ван, доктор философии, доцент биологических наук Колледжа искусств и наук UB. «Используя этот метод, мы смогли производить олефины прямо из глюкозы».

Глюкоза образуется в результате фотосинтеза, который вытягивает CO2 из воздуха.

«Производство биотоплива из возобновляемых источников, таких как глюкоза, имеет большой потенциал для развития технологий зеленой энергии», – говорит Ван.

«Глюкоза вырабатывается растениями посредством фотосинтеза, который превращает углекислый газ (CO2) и воду в кислород и сахар. Таким образом, углерод в глюкозе, а затем и в олефинах, на самом деле образуется из углекислого газа, который был извлечен из атмосферы. , – объясняет Ван.

Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы понять преимущества нового метода и можно ли его эффективно расширить для производства биотоплива или для других целей. Один из первых вопросов, на который нужно будет ответить, – сколько энергии потребляет процесс производства олефинов; если стоимость энергии слишком высока, технология должна быть оптимизирована для практического применения в промышленных масштабах.

Ученые также заинтересованы в увеличении урожайности. В настоящее время для производства около 8 молекул олефина требуется 100 молекул глюкозы, говорит Ван. Она хотела бы улучшить это соотношение, сосредоточив внимание на том, чтобы уговорить кишечную палочку производить больше 3-гидроксижирных кислот на каждый грамм потребляемой глюкозы.

Соавторы исследования по естественной химии: Ван; Чанг; Хэн Сун, доктор философии, Калифорнийский университет в Беркли и Уханьский университет в Китае; Эдвард Дж. Колески, Норитака Хара, доктор философии, и Еджин Мин из Калифорнийского университета в Беркли; Дэ Сунг Пак, доктор философии, Гаурав Кумар, доктор философии, и Пол Дж. Дауэнхауэр, доктор философии, из Университета Миннесоты (Пак сейчас работает в Корейском научно-исследовательском институте химической технологии).

Исследование финансировалось Национальным научным фондом США; докторская программа Камиллы и Генри Дрейфуса по химии окружающей среды; и Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка.

Статьи с данной тематикой
Будьте вкурсе всех наших новостей