Vad har jetbränsle gemensamt med strumpbyxor och läskflaskor av plast? De är alla produkter som för närvarande härrör från petroleum. Sandia National Laboratories forskare har visat en ny teknik baserad på biomanipulerade bakterier som kan göra det ekonomiskt möjligt att producera alla tre från förnybara växtkällor.

Ekonomiskt och effektivt omvandling av segt växtmaterial, kallas lignin, har länge varit en stötesten för en bredare användning av energikällan och för att göra den kostnadseffektiv. Kombinera mekanismer från andra kända ligninnedbrytare, Sandia bioingenjör Seema Singh och två postdoktorer, Weihua Wu, nu på Lodo Therapeutics Corp., och Fang Liu, har konstruerat E. coli till en effektiv och produktiv biokonverteringscellfabrik.

"I åratal, vi har undersökt kostnadseffektiva sätt att bryta ner lignin och omvandla det till värdefulla plattformskemikalier, "Singh sa. "Vi tillämpade vår förståelse av naturliga ligninnedbrytare på E. coli eftersom den bakterien växer snabbt och kan överleva hårda industriella processer."

Arbetet, "Mot teknik E coli med ett autoreglerande system för ligninvalorisering, " publicerades nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences och fick stöd av Sandias Laboratory Directed Research and Development-program.

Konstruera en kostsam process till lönsamhet

Lignin är komponenten i växternas cellväggar som ger dem deras otroliga styrka. Den är full av energi, men att komma till den energin är så dyr och komplex att det resulterande biobränslet inte kan konkurrera ekonomiskt med andra former av transportenergi.

En gång bruten, lignin har andra gåvor att ge i form av värdefulla plattformskemikalier som kan omvandlas till nylon, plast, läkemedel och andra värdefulla produkter. Framtida forskning kan fokusera på att demonstrera produktionen av dessa produkter, eftersom de kan bidra till att balansera ekonomin för biobränsle och bioproduktion. Eller som Singh uttrycker det, "de värdesätter lignin."

Att lösa tre problem:kostnad, toxicitet och hastighet

Singh och hennes team har löst tre problem med att förvandla lignin till plattformskemikalier. Den första var kostnaden. E coli producerar vanligtvis inte de enzymer som behövs för omvandlingsprocessen. Forskare måste locka bakterierna att göra enzymerna genom att tillsätta något som kallas inducerare till jäsningsbuljongen. Även om det är effektivt, för att aktivera enzymproduktion, inducerare kan vara så dyra att de är oöverkomliga för bioraffinaderier.

Lösningen var att "omgå behovet av en dyr inducerare genom att konstruera E. coli så att ligninhärledda föreningar som vanillin tjänar både som substrat och inducerare", sa Singh.

Vanillin är inte ett självklart val att ersätta en inducerare. Föreningen produceras när lignin bryts ner och kan, vid högre koncentrationer, hämma själva E coli arbetar med att konvertera den. Detta utgjorde det andra problemet:toxicitet.

"Vår teknik vänder på problemet med substrattoxicitet genom att möjliggöra själva kemikalien som är giftig för E coli för att initiera den komplexa processen med ligninvalorisering. När vanillinet i jäsningsbuljongen aktiverar enzymerna, de E coli börjar omvandla vanillin till katekol, vår önskade kemikalie, och mängden vanillin når aldrig en giftig nivå, " sa Singh. "Den reglerar automatiskt."

Det tredje problemet var effektivitet. Medan vanillinet i jäsningsbuljongen rör sig över membranen i cellerna för att omvandlas av enzymerna, det gick långsamt, passiv rörelse. Forskarna letade efter effektiva transportörer från andra bakterier och mikrober för att snabba spåra denna process, sa Wu.

"Vi lånade en transportördesign från en annan mikrob och konstruerade den till E coli , som hjälper till att pumpa in vanillin i bakterierna, " sa Liu. "Det låter ganska enkelt, men det krävdes mycket finjustering för att få allt att fungera tillsammans."

Tekniska lösningar som dessa, som övervinner toxicitets- och effektivitetsproblem har potential att göra biobränsleproduktion ekonomiskt lönsam. Den externa inducerfri, autoregleringsmetod för valorisering av lignin är bara ett sätt som forskare arbetar för att optimera biobränsletillverkningsprocessen.

"Vi har hittat den här biten av ligninvaloriseringspusslet, ger en bra utgångspunkt för framtida forskning om skalbar, kostnadseffektiva lösningar, "Singh sa." Nu kan vi arbeta med att producera större mängder plattformskemikalier, tekniska vägar till nya slutprodukter, och med tanke på andra mikrobiella värdar än E coli ."