Новая технология позволяет бактериям перерабатывать углеродные отходы в ценные химические вещества
Бактерии известны тем, что расщепляют лактозу для получения йогурта и сахар для производства пива. Теперь исследователи под руководством Северо-Западного университета и компании LanzaTech используют бактерии для расщепления отработанного углекислого газа (CO2) с целью получения ценных промышленных химикатов.
В новом экспериментальном исследовании ученые выбрали, сконструировали и оптимизировали штамм бактерий, а затем успешно продемонстрировали его способность превращать CO2 в ацетон и изопропанол (IPA). Исследование опубликовано в понедельник (21 февраля) в журнале Nature Biotechnology.
Этот новый процесс газовой ферментации не только удаляет парниковые газы из атмосферы, но и позволяет избежать использования ископаемого топлива, которое обычно необходимо для производства ацетона и IPA. Проведя анализ жизненного цикла, команда обнаружила, что углеродно-отрицательная платформа может сократить выбросы парниковых газов на 160% по сравнению с традиционными процессами, если будет широко применяться.
"Ускоряющийся климатический кризис в сочетании с быстрым ростом населения представляют собой одни из самых неотложных проблем для человечества, и все они связаны с неослабевающим высвобождением и накоплением CO2 во всей биосфере", - сказал Майкл Джуэтт из Северо-Западного университета, один из старших авторов исследования. "Используя нашу способность сотрудничать с биологией для производства того, что необходимо, где и когда это необходимо, на устойчивой и возобновляемой основе, мы можем начать использовать имеющийся CO2 для преобразования биоэкономики".
Джуэтт - профессор химической и биологической инженерии Уолтер П. Мерфи в Северо-Западной инженерной школе Маккормик и директор Центра синтетической биологии. Он руководил исследованием вместе с Майклом Кепке и Чингом Леангом, исследователями из LanzaTech.
Ацетон и ПНД - необходимые промышленные химические вещества, встречающиеся практически повсеместно, их совокупный мировой рынок превышает 10 миллиардов долларов. ПНД широко используется как дезинфицирующее и антисептическое средство, он является основой для одной из двух рекомендованных Всемирной организацией здравоохранения формул дезинфицирующих средств, которые высокоэффективны в уничтожении вируса SARS-CoV-2. А ацетон - это растворитель для многих пластмасс и синтетических волокон, разбавитель полиэфирной смолы, чистящий инструменты и жидкость для снятия лака с ногтей.
Хотя эти химикаты невероятно полезны, они производятся из ископаемых ресурсов, что приводит к выбросам CO2, разогревающих климат.
Чтобы производить эти химикаты более устойчиво, исследователи разработали новый процесс газовой ферментации. Они начали с Clostridium autoethanogenum, анаэробной бактерии, разработанной в LanzaTech. Затем исследователи использовали инструменты синтетической биологии, чтобы перепрограммировать бактерию на ферментацию CO2 для получения ацетона и IPA.
"Эти инновации, во главе которых стояли бесклеточные стратегии, определяющие как инженерию штаммов, так и оптимизацию ферментов, ускорили время производства более чем на год", - сказал Джуэтт.
Команды Northwestern и LanzaTech считают, что разработанные штаммы и процесс ферментации можно будет использовать в промышленных масштабах. Этот подход также потенциально может быть применен для создания оптимизированных процессов получения других ценных химических веществ.
"Это открытие - важный шаг вперед в деле предотвращения климатической катастрофы", - сказала Дженнифер Холмгрен, генеральный директор LanzaTech. "Сегодня большинство наших товарных химикатов получают исключительно из новых ископаемых ресурсов, таких как нефть, природный газ или уголь. Ацетон и ПНД - два примера, совокупный мировой рынок которых составляет 10 миллиардов долларов. Разработанные пути получения ацетона и ПНД ускорят разработку других новых продуктов за счет замыкания углеродного цикла для их использования в различных отраслях промышленности".
