Превращение сахара в углеводороды для питания автомобилей будущего

Генно-инженерные бактерии могут превращать глюкозу в жирную кислоту, которая затем может быть преобразована в углеводороды, называемые олефинами. Чтобы вырастить такие бактерии, ученые добавляют микробы в колбы, наполненные питательными веществами (желтый бульон), и встряхивают их в инкубаторе, чтобы стимулировать приток кислорода, как показано на рисунке. Предоставлено: Дуглас Левер / Университет в Буффало.

Согласно новому исследованию, генетически модифицированная кишечная палочка съедает глюкозу, а затем помогает превратить ее в молекулы, содержащиеся в бензине.

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

Но именно это и сделали ученые.

В исследовании, проведенном 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).

Проектом руководили биохимики Чжэнь К. Ван из Университета Буффало и Мишель Си Чанг из Калифорнийского университета в Беркли.

Документ, опубликованный 22 ноября 2021 года, знаменует собой прогресс в усилиях по созданию устойчивого биотоплива.

Чжэнь Ван, доцент биологических наук Университета Буффало, является экспертом в области синтетической биологии. Предоставлено: Дуглас Левер / Университет в Буффало.

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.

В кишечных палочках в опытах были методы генной инженерии для получения набора из четырех ферментов , которые превращают глюкозу в соединение , называемых 3-гидрокси жирные кислоты. По мере того как бактерии потребляли глюкозу, они также начали производить жирные кислоты.

Штамм кишечной палочки, не представляющий опасности для здоровья человека, растет в колбе, наполненной питательными веществами (желтый бульон). В ходе исследования ученые с помощью генной инженерии создали такую кишечную палочку, чтобы преобразовать глюкозу в класс жирных кислот, которые затем команда преобразовала в углеводород, называемый олефином. Предоставлено: Дуглас Левер / Университет в Буффало.

Чтобы завершить преобразование, команда использовала катализатор под названием пятиокись ниобия (Nb2O5), чтобы отрезать 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 делать 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 непосредственно из глюкозы».

Образование 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 удален из атмосферы», — объясняет Ван.

Чжэнь Ван, доцент кафедры биологических наук Университета Буффало, держит в руках колбу, содержащую штамм кишечной палочки, не представляющий опасности для здоровья человека. Ван и его коллеги показали, что генетически модифицированная кишечная палочка может превращать глюкозу в класс жирных кислот, которые затем могут быть преобразованы в углеводороды, называемые олефинами. Предоставлено: Дуглас Левер / Университет в Буффало.

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 заставить кишечную палочку производить больше 3-гидроксижирных кислот на каждый грамм потребленной 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 Сон 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.

Источник

Метки: Катализаторы