Исследователи из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) разработали микроорганизмы, способные одновременно преобразовывать неочищенный глицерин — низкоценный побочный продукт производства биодизеля — в три отдельных предшественника нейлона, предлагая биооснованную альтернативу производственной цепочке, которая в настоящее время почти полностью зависит от ископаемого топлива.
В результатах исследования описана микробная платформа, способная производить диаминопентан (ДАП), глутаровую кислоту и глутарамид — все строительные блоки, используемые в синтезе нейлона, — из одного ферментационного сырья.
Что на самом деле делают бактерии
Сырой глицерин образуется в больших объемах в качестве побочного продукта при переэтерификации растительных масел или животных жиров для получения биодизеля. Он химически загрязнен, и его исторически было трудно перерабатывать в больших масштабах, часто продавая с низкой прибылью или утилизируя.
Команда KAIST метаболически перепрограммировала Corynebacterium glutamicum , бактерию, широко используемую в ферментации аминокислот, чтобы направлять углерод глицерина через модифицированный путь биосинтеза лизина.
Затем сам лизин с помощью дополнительных модифицированных ферментов преобразуется в три целевых соединения — диамины и дикислоты, которые образуют структурную основу полиамидных (нейлоновых) полимеров.
Производство всех трех мономеров нейлона из одного источника углерода в одном организме технически нетривиально. Каждая целевая молекула требует отдельной ферментативной ветви, а балансировка метаболического потока — обеспечение поступления углерода ко всем трем продуктам, а не его накопление в одном — потребовала точной генетической настройки уровней экспрессии ферментов.
Исследователи использовали комбинацию методов модификации промоторов и корректировки дозы генов для достижения продуктивных титров по всем трем соединениям.
Использование биотехнологий имеет важное значение, поскольку традиционный синтез предшественников нейлона начинается с бензола или циклогексана, которые получают в процессе переработки нефти.
Крекинг и окисление такого сырья приводят к выделению значительного количества CO₂ и образованию опасных промежуточных продуктов. Ферментация из глицерина, напротив, происходит при комнатной температуре и давлении, а в качестве основного растворителя используется вода.
Масштаб и объемы производства
В более ранних работах той же группы был продемонстрирован аналогичный микробный процесс в пилотном масштабе объемом 300 литров (примерно 79 галлонов), как это было описано в исследовании KAIST по получению пластиковых ингредиентов из отходов биодизельного топлива.
Новое исследование расширяет эту платформу до многокомпонентного производства, что имеет важное значение, поскольку для таких марок нейлона, как нейлон-5,5 и нейлон-6,5, требуются определенные соотношения мономеров, которые один организм, производящий несколько прекурсоров, мог бы обеспечить более интегрированным способом.
В исследовании были представлены конкретные титры для всех трех соединений, хотя абсолютный выход глутарамида остается ниже, чем у ДАП и глутаровой кислоты, что исследователи признают текущим ограничением. Повышение эффективности производства амидов, вероятно, потребует дополнительной инженерии ферментов или балансировки кофакторов.
Зависимость от сырья и коммерческий путь
Этот процесс не является универсальным по отношению к сырью. Он зависит от постоянной доступности сырого глицерина, которая связана с производством биодизеля. Мировое производство биодизеля неуклонно растет, но предложение и качество глицерина варьируются в зависимости от сырья — глицерин, получаемый из пальмового масла, отличается по составу от глицерина, получаемого из сои или рапса, и эти примеси могут влиять на микробную активность.
Технико-экономический анализ биотехнологических методов получения нейлона неизменно выявляет, что производительность ферментации и затраты на последующую очистку являются двумя основными препятствиями на пути к ценовому паритету с нефтехимическими методами.
Платформа KAIST занимается биологическими аспектами на начальных этапах производства, но пока не продемонстрировала полностью интегрированный процесс разделения всех трех побочных продуктов в промышленных масштабах.
Нормативно-правовые механизмы регулирования использования нейлона на биологической основе в текстильной промышленности и автомобильных компонентах — двух крупнейших рынках нейлона — достаточно ясны, поскольку для покупателей более важны конечные свойства полимера, чем его происхождение при синтезе. Если микробная платформа достигнет конкурентоспособных производственных затрат, ее внедрение вряд ли столкнется с техническими барьерами со стороны конечного потребителя.
Следующим шагом для исследовательской группы станет масштабирование многопродуктовой ферментации за пределы лабораторного биореактора, а также уточнение метаболического баланса, определяющего распределение углерода между тремя продуктовыми ветвями.
Результаты исследования были впервые опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .