Biopaliwa bakteryjne
Katarzyna Kopka | 2007-03-13
Nauczyliśmy się wykorzystywać bakterie w celach zdrowotnych, ochronie środowiska i innych dziedzinach życia. Zobaczyliśmy również możliwość ich udziału w efektywnej produkcji biopaliw. Krokiem na przód w tej dziedzinie są wyniki badań uzyskane przez naukowców z University of Rochester, którzy obrali sobie jako obiekt doświadczeń genom Clostridium thermocellum - beztlenowej bakterii zdolnej wytwarzać etanol.
Mimo, iż obecnie nadal głównymi paliwami na rynku światowym są paliwa ze źródeł nieodnawialnych, to jednak coraz częściej słyszymy o biopaliwach. Stale rośnie powierzchnia obszarów, na których uprawia się rośliny takie jak: rzepak czy soję z przeznaczeniem na produkcję biopaliw. Produkujące je fabryki powstają w Europie w tempie lawinowym. Wciąż poszukuje się optymalnych metod ich produkcji. I tu, podobnie jak w ochronie środowiska, pomocne mogą okazać się drobnoustroje.
Próby badania bakterii w tym kierunku podjęli naukowcy z University of Rochester, w odpowiedzi na rosnące naciski ze strony państwa na poszukiwanie alternatywnych dróg produkcji paliw. Zidentyfikowali oni po raz pierwszy geny bakteryjne odpowiedzialne za rozkład biomasy; traw i łodyg kukurydzy, prowadzący do powstania etanolu. Odpady, takie jak ścięte trawy czy skrawki drzewa do tej pory były uznawane za trudne do przekształcenia w etanol. Dzięki niniejszemu odkryciu mogą one stać się cennym pożywieniem dla genetycznie ulepszonych bakterii.
Wyniki opisane w sprawozdaniu Państwowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych otwierają naukowcom drogę do zaprojektowania superorganizmów zdolnych do wytwarzania etanolu. Według Dawida H. Wu, profesora Wydziału Inżynierii Chemicznej, jest to pierwsze odkrycie dające wiedzę o tym, jak bakteria dokonuje, spośród ponad 100 enzymów, wyboru tych odpowiednich do rozłożenia biomasy na dane składniki. Pozostaje jedynie intensyfikacja procesu i produkcja etanolu znacznie wydajniejszą techniką niż jest to możliwe obecnie.
Dziś pozyskiwanie etanolu z roślin jest trudne, a wytwarzanie go z kukurydzy jest najprostszą metodą, ale na dużą skalę może spowodować wzrost cen kukurydzy, skrobi kukurydzianej a nawet karmionych nią zwierząt. Z kolei pozyskiwanie etanolu z materiału roślinnego takiego jak łodygi kukurydzy i skrawki drewna odznacza się niską wydajnością, ponieważ celuloza roślinna jest substancją bardzo trudną do zdegradowania.
Technika Wu może okazać się znacznie bardziej efektywna niż tradycyjne metody. Polega ona na prowadzeniu procesu jednoetapowego – rozkładu i fermentacji celulozy przy udziale bakterii – zamiast obecnie stosowanego dwuetapowego: rozkładu celulozy do glukozy a następnie fermentacji glukozy do etanolu.
Wu poddał analizie bakterie Clostridium thermocellum. Są to bakterie posiadające zdolność przekształcenia biomasy z wydzieleniem etanolu w jednoetapowym procesie. Jednak nie są one wykorzystywane na skalę przemysłową ponieważ rozkład celulozy jest tu etapem o zbyt niskiej wydajności. Co należy więc zrobić by proces ten ulepszyć?
Według Wu kluczem jest zidentyfikowanie enzymów używanych w niniejszym procesie przez drobnoustroje a następnie wprowadzenie modyfikacji zwiększających ich wydzielanie przez bakterie. Tu jednak pojawia się problem. Otóż bakterie te wytwarzają ponad 100 różnych enzymów i każda ich kombinacja może być „tą właściwą” do produkcji etanolu.
Bakterie wiedzą jakie geny i w jakim czasie powinny ulec ekspresji, a naszym zadaniem jest dowiedzieć się skąd czerpią tą wiedzę. C. thermocellum produkuje cały czas niewielkie ilości wszystkich enzymów zaangażowanych w procesy trawienia materiału roślinnego. Gdy dochodzi do kontaktu bakterii z drewnem niektóre z nich rozpoczynają jego trawienie. Produktem jednej z reakcji jest cukier – laminoarabioza, która dyfunduje do komórki, gdzie deaktywuje represor dwóch genów. To powoduje ich aktywację i rozpoczyna się produkcja enzymów, CelC i Lica, rozkładających drewno.
Wu po raz pierwszy ujawnił drogę uruchamiania produkcji tych enzymów. Możliwość taką dało niedawne zsekwencjonowanie genomu C. thermocellum dzięki współpracy Wu z Wydziałem Energetyki U.S.
Wu pracuje nad "przeprojektowaniem" C. thermocellum w kierunku podwyższenia ekspresji odpowiednich genów, tak by wydzielanie przez bakterie etanolu było znacznie bardziej wydajnym procesem. Kontynuuje on również poszukiwanie dzikiego genotypu pod względem poszczególnych enzymów. "Nie sądzę, iż jest to rewolucja, która uczyni etanol podstawowym paliwem, ale wierzę że jest to krok prowadzący do rewolucji" – powiedział Wu.
Źródło:
1) "Genome Sequencing Reveals Key to Viable Ethanol Production", University of Rochester News, March 2, 2007
2) http://www.biodiesel.pl/
3) http://przekroj.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=362&Itemid=61