Vår tids stora globala utmaningar, inklusive klimatförändringar, energisäkerhet och brist på naturresurser, främja en övergång från den linjära fossilbaserade ekonomin till den hållbara biobaserade cirkulära ekonomin. Att ta detta steg kräver ytterligare utveckling av framväxande teknologier för produktion av förnybara bränslen och kemikalier.

Fotosyntetiska mikroorganismer, som cyanobakterier och alger, visa en stor potential för att tillgodose vår efterfrågan på förnybara kemikalier och minska det globala beroendet av fossila bränslen. Dessa mikroorganismer har förmågan att använda solenergi för att omvandla CO ₂ till biomassa och en mängd olika energirika organiska föreningar. Cyanobakterier är också kapabla att hålla nya syntetiska produktionsvägar som gör att de kan fungera som levande cellfabriker för produktion av riktade kemikalier och bränslen.

Eten är en av de viktigaste organiska råvarukemikalierna med en årlig global efterfrågan på mer än 150 miljoner ton. Det är den huvudsakliga byggstenen i tillverkningen av plast, fibrer och andra organiska material.

"I vår forskning, vi använde den genetiskt modifierade cyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 som uttrycker det etenbildande enzymet (EFE) förvärvat från växtpatogenen, Pseudomonas syringae. Närvaron av EFE i cyanobakteriella celler gör det möjligt för dem att producera eten med hjälp av solenergi och CO ₂ från luften, säger docent Allahverdiyeva-Rinne.

Eten har en hög energitäthet som gör det till en attraktiv bränslekälla. För närvarande, Eten produceras genom ångkrackning av fossila kolvätenråvaror vilket leder till ett enormt utsläpp av CO ₂ in i miljön. Därför, Det är viktigt att utveckla gröna metoder för syntetisering av eten.

"Även om mycket lovande resultat har rapporterats på etenproducerande rekombinanta cyanobakterier, den totala effektiviteten hos de tillgängliga fotoproduktionssystemen är fortfarande mycket låg för industriella tillämpningar. Etylenproduktiviteten hos konstruerade cyanobakterier är den mest kritiska variabeln för att minska kostnaderna och förbättra effektiviteten, " säger postdoktor Sindhujaa Vajravel.

Dock, cyanobakterier har flera begränsningar för effektiv produktion, eftersom de främst ackumulerar biomassa, inte önskade produkter.

"De har en gigantisk fotosyntetisk ljusupptagningsantenn som leder till självskuggning och begränsad ljusfördelning i suspensionskulturer, vilket minskar produktiviteten. Den största begränsningen är att cellernas produktionsperiod är kort, bara några dagar, " förklarar Allahverdiyeva-Rinne.

För att lösa dessa två problem, forskare fångade etenproducerande cyanobakteriella celler i tunnskiktad alginatpolymermatris. Detta tillvägagångssätt begränsar celltillväxt starkt, sålunda engagerar ett effektivt flöde av fotosyntetiska metaboliter för etenbiosyntes. Det förbättrar också ljusutnyttjandet under svaga ljusförhållanden och främjar starkt cellkonditionen. Som ett resultat, de konstgjorda biofilmerna uppnådde en hållbar fotoproduktion av eten i upp till 40 dagar med en ljus-till-eten-konverteringseffektivitet som är 3,5 gånger högre än i konventionella suspensionskulturer.

Dessa fynd öppnar upp för nya möjligheter för vidareutveckling av effektiva fotosyntetiska cellfabriker i fast tillstånd för etenproduktion och skala upp processen till industriell nivå.