ГМ-кишечная палочка (Escherichia coli) переваривает просо в бензин, дизель и даже в топливо для реактивных двигателей. Более того, микробы делают это самостоятельно – без добавок дорогостоящих ферментов. Это означает, что возобновляемые источники топлива могут работать почти бесплатно.
Топливная палочка
Необычную палочку создали биотехнологи из Национальной Лаборатории Лоуренса в Беркли ( Lawrence Berkeley National Laboratory) и Объединенного института Биоэнергетики Департамента энергетики США (U.S. Department of Energy (DOE)'s Joint BioEnergy Institute (JBEI)).
В технологиях производства биотоплива можно выделить два этапа, пишут ученые. Первое – деполимеризация – расщепление растительных полисахаридов (целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина) до молекул с меньшей молекулярной массой. Второй этап – ферментативное превращение промежуточных продуктов в готовое топливо.
Для всего технологического процесса нужны «бактерии-расщепители целлюлозы» и специальные ферменты. Первые часто бывают малоэффективными, вторые – обычно слишком дорогие.
Ученые под руководством Джей Кислин (Jay Keasling) создали самодостаточный гибрид – бактерию, которая и полисахариды расщепляет, и топливо из промежуточных продуктов получает. Для этого в геном бактерии они вставили гены, необходимые для расщепления полисахаридов и выделения биотоплива.
Нужные гены
Для начала авторы статьи, опубликованной в PNAS, сравнили гены разных бактерий, способных расщеплять биомассу. Ученые отобрали 10 наиболее эффективных ферментов, после чего вставили соответсвующие гены в ДНК нескольких штаммов кишечной палочки (Escherichia coli).
Два фермента – Xyl10 и Cel – оказались наиболее эффективными. Бактерии с этими генами успешно расщепляли до 5% целлюлозы и 11% ксилана – полисахарида, относящегося к группе гемицеллюлоз.
Ученые запрограммировали ГМ-кишечных палочек на выделение продуктов расщепления за пределы оболочки. Получается, что кишечные палочки превратилась в биореакторы: они переваривали растительные полисахариды внутри себя, а готовые продукты – «обрывки» целлюлозы и ксилана – выделяли наружу. Это достижение – одно из важных в технологическом процессе производства биотоплива, пишут ученые. Они объясняют, что бактерия в окружающую среду выделяет незначительное количество ферментов. А значит, переваривание полисахаридов вне бактерий идет много хуже, чем внутри бактерии.
Нормальные кишечные палочки не могут расщеплять остатки целлюлозы и ксилана. Поэтому на следующем этапе генной инженерии биологи подобрали набор генов, необходимых для переваривания «обрывков» растительных полисахаридов (олигосахаридов) до моносахаров. Последние путем геноинженерного изменения метаболизма бактерий превращались в разные виды топлива. Этими комплексами генов, необходимых для окнчательного расщепления сахаров и получения топлива, ученые и изменили метаболизм бактерий, создав три соответствующих ГМ-штамма. «Моносахариды могут быть метаболизированы до трех типов топлива – этанола, дизеля и топлива для реактивных двигателей», – пишут ученые.
Схема 1. Целлюлоза и гемицеллюлоза расщепляются специальными ферментами (обозначены голубым) до олигосахаридов, которые расщепляются бета-глюкозидазой (обозначена красным) до моносахарилдов; моносахариды в зависимости от генотипа штамма могут быть метаболизированы в три типа биотоплива – бензин, биодизель и топливо для реактивных двигателей. Источник: Joint BioEnergy Institute
Эффективность полученных ГМ-штаммов биотехнологи проверили на практике. Они подготовили биомассу из листьев и стеблей почти сорного растения – гигантского проса (Panicum virgatum), которое произрастает в североамериканских прериях. Просо ученые обработали специальным «растворителем». Этот этап был необходим для высвобождения полисахаридов из клеточных стенок растения.
Оказалось, что все бактерии заселяю «просовую» среду хорошо, да и развиваются на ней неплохо. Более того, колонии «ксилановых» и «целлюлозных» палочек не мешали друг другу – они успешно сожительствовали, питались с «одного стола» и производили топливо.
«Для описанного синтеза биотоплива не требуется ферментов, которые используются для деполимеризации целлюлозы и гемицеллюлозы до сахаров. Это означает, что производство биотоплива можно значительно удешевить», – завершает Джей Кислин.
Равная замена
В некоторых штатах Америки этанол используется в качестве обязательной добавки к бензину. По мнению экспертов из Университета штата Айова, добавки этанола позволяют снижать цену каждого литра на десять центов.
Надо сказать, что этанол как автомобильное топливо известен давно. Первым коммерческим автомобилем, который мог использовать этанол, был Форд Модель Т начала XX века. Однако бензин оказался дешевле, поэтому переход автомобилей на альтернативное топливо продвигался медленно. В настоящее время этанол используют как добавку в бензин (около 10-15%).
«В отличие от этанола, топливо, производимое ГМ-кишечной палочкой, может заменить бензин не частично, а в пропорции 1:1», – пишут авторы исследования на сайте лаборатории.
