Даследнікі з Карэйскага інстытута перадавых навук і тэхналогій (KAIST) распрацавалі мікраарганізмы, здольныя адначасова пераўтвараць неабчышчаны гліцэрына - нізкаварты пабочны прадукт вытворчасці біядызелю - у тры асобных папярэдніка нейлону, прапаноўваючы биооснованную альтэрнатыву вытворчаму ланцужку, якая ў цяперашні час амаль цалкам залежыць ад выкапнёвага паліва.
У выніках даследавання апісана мікробная платформа, здольная вырабляць диаминопентан (ДАП), глутаравую кіслату і глутарамід - усе будаўнічыя блокі, якія выкарыстоўваюцца ў сінтэзе нейлону, - з адной ферментацыйнай сыравіны.
Што на самой справе робяць бактэрыі
Сыры гліцэрына ўтворыцца ў вялікіх аб'ёмах у якасці пабочнага прадукта пры пераэтэрыфікацыі раслінных алеяў або жывёльных тлушчаў для атрымання біядызелю. Ён хімічна забруджаны, і яго гістарычна было цяжка перапрацоўваць у вялікіх маштабах, часта прадаючы з нізкім прыбыткам або утылізуючы.
Каманда KAIST метабалічна перапраграмавала Corynebacterium glutamicum , Бактэрыю, шырока выкарыстоўваную ў ферментацыі амінакіслот, каб накіроўваць вуглярод гліцэрыны праз мадыфікаваны шлях біясінтэзу лізіну.
Затым сам лізін з дапамогай дадатковых мадыфікаваных ферментаў пераўтворыцца ў тры мэтавыя злучэнні - дыяміны і дыкіслоты, якія ўтвараюць структурную аснову поліамідных (нейлонавых) палімераў.
Вытворчасць усіх трох мономеров нейлону з адной крыніцы вугляроду ў адным арганізме тэхнічна нетрывіяльна. Кожная мэтавая малекула патрабуе асобнай ферментатыўнай галіны, а балансіроўка метабалічнага патоку - забеспячэнне паступлення вугляроду да ўсіх трох прадуктам, а не яго назапашванне ў адным - запатрабавала дакладнай генетычнай налады узроўняў экспрэсіі ферментаў.
Даследнікі выкарыстоўвалі камбінацыю метадаў мадыфікацыі промоторов і карэкціроўкі дозы генаў для дасягнення прадуктыўных тытраў па ўсіх трох злучэнням.
Выкарыстанне біятэхналогій мае важнае значэнне, паколькі традыцыйны сінтэз папярэднікаў нейлону пачынаецца з бензолу або цыклагексану, якія атрымліваюць у працэсе перапрацоўкі нафты.
Крэкінг і акісленне такой сыравіны прыводзяць да вылучэння значнай колькасці CO₂ і адукацыі небяспечных прамежкавых прадуктаў. Ферментацыя з гліцэрыны, наадварот, адбываецца пры пакаёвай тэмпературы і ціску, а ў якасці асноўнага растваральніка выкарыстоўваецца вада.
Маштаб і аб'ёмы вытворчасці
У больш ранніх працах той жа групы быў прадэманстраваны аналагічны мікробны працэс у пілотным маштабе аб'ёмам 300 літраў (прыкладна 79 галёнаў), як гэта было апісана ў даследаванні KAIST па атрыманні пластыкавых інгрэдыентаў з адыходаў біядызельнага паліва.
Новае даследаванне пашырае гэтую платформу да шматкампанентнай вытворчасці, што мае важнае значэнне, паколькі для такіх марак нейлону, як нейлон-5,5 і нейлон-6,5, патрабуюцца пэўныя суадносіны манамераў, якія адзін арганізм, які вырабляе некалькі прэкурсораў, мог бы забяспечыць больш інтэграваным спосабам.
У даследаванні былі прадстаўлены канкрэтныя тытры для ўсіх трох злучэнняў, хоць абсалютны выхад глутараміду застаецца ніжэй, чым у ДАП і глутаровай кіслаты, што даследчыкі прызнаюць бягучым абмежаваннем. Павышэнне эфектыўнасці вытворчасці амідаў, верагодна, запатрабуе дадатковай інжынерыі ферментаў або балансавання кофакторы.
Залежнасць ад сыравіны і камерцыйны шлях
Гэты працэс не з'яўляецца ўніверсальным па стаўленні да сыравіны. Ён залежыць ад сталай даступнасці волкага гліцэрыны, якая злучана з вытворчасцю біядызелю. Сусветная вытворчасць біядызелю няўхільна расце, але прапанова і якасць гліцэрыны вар'іруюцца ў залежнасці ад сыравіны - гліцэрына, які атрымліваецца з пальмавага алею, адрозніваецца па складзе ад гліцэрыны, які атрымліваецца з соі або рапсу, і гэтыя прымешкі могуць уплываць на мікробную актыўнасць.
Тэхніка-эканамічны аналіз біятэхналагічных метадаў атрымання нейлону нязменна выяўляе, што прадукцыйнасць ферментацыі і выдаткі на наступную ачыстку з'яўляюцца дзвюма асноўнымі перашкодамі на шляху да коштавага парытэту з нафтахімічнымі метадамі.
Платформа KAIST займаецца біялагічнымі аспектамі на пачатковых этапах вытворчасці, але пакуль не прадэманстравала поўнасцю інтэграваны працэс падзелу ўсіх трох пабочных прадуктаў у прамысловых маштабах.
Нарматыўна-прававыя механізмы рэгулявання выкарыстання нейлону на біялагічнай аснове ў тэкстыльнай прамысловасці і аўтамабільных кампанентах – двух найбуйнейшых рынках нейлону – дастаткова ясныя, паколькі для пакупнікоў больш важныя канчатковыя ўласцівасці палімера, чым яго паходжанне пры сінтэзе. Калі мікробная платформа дасягне канкурэнтаздольных вытворчых выдаткаў, яе ўкараненне ці наўрад сутыкнецца з тэхнічнымі бар'ерамі са боку канчатковага спажыўца.
Наступным крокам для даследчай групы стане маштабаванне шматпрадуктовай ферментацыі за межы лабараторнага биореактора, а таксама ўдакладненне метабалічнага балансу, які вызначае размеркаванне вугляроду паміж трыма прадуктовымі галінамі.
Вынікі даследавання былі ўпершыню апублікаваны ў часопісе Proceedings of the National Academy of Sciences .