Genmanipulerade bakterier kan omvandla glukos till en fettsyra, som sedan kan omvandlas till kolväten som kallas olefiner. För att odla sådana bakterier lägger forskare till mikroberna i flaskor fyllda med näringsämnen (den gula buljongen) och skakar dem i en inkubator för att uppmuntra syreflödet, som bilden visar här. Kredit:Douglas Levere / University at Buffalo
Det låter som modern alkemi:Att omvandla socker till kolväten som finns i bensin.
Men det är precis vad forskare har gjort.
I en kommande studie i Naturkemi , rapporterar forskare att de utnyttjar biologins och kemins underverk för att förvandla glukos (en typ av socker) till olefiner (en typ av kolväte och en av flera typer av molekyler som utgör bensin).
Projektet leddes av biokemisterna Zhen Q. Wang vid University at Buffalo och Michelle C. Y. Chang vid University of California, Berkeley.
Tidningen, som kommer att publiceras den 22 november, markerar ett framsteg i arbetet med att skapa hållbara biobränslen.
Olefiner utgör en liten andel av molekylerna i bensin som den för närvarande produceras, men processen som teamet utvecklade kan sannolikt justeras i framtiden för att generera andra typer av kolväten också, inklusive några av de andra komponenterna i bensin, säger Wang. Hon noterar också att olefiner har icke-bränsletillämpningar, eftersom de används i industriella smörjmedel och som prekursorer för tillverkning av plast.
En tvåstegsprocess som använder sockerätande mikrober och en katalysator
För att slutföra studien började forskarna med att mata glukos till stammar av E. coli som inte utgör någon fara för människors hälsa.
Zhen Wang, biträdande professor vid universitetet i Buffalo i biologiska vetenskaper, är expert på syntetisk biologi. Kredit:Douglas Levere / University at Buffalo
"De här mikroberna är sockerjunkies, till och med värre än våra barn", skämtar Wang.
E. coli i experimenten var genetiskt modifierade för att producera en serie av fyra enzymer som omvandlar glukos till föreningar som kallas 3-hydroxifettsyror. När bakterierna konsumerade glukosen började de också tillverka fettsyrorna.
För att slutföra omvandlingen använde teamet en katalysator som heter niobpentoxid (Nb2O5) för att skära bort oönskade delar av fettsyrorna i en kemisk process, vilket genererade slutprodukten:olefinerna.
Forskarna identifierade enzymerna och katalysatorn genom att trial and error, testa olika molekyler med egenskaper som lämpade sig för de aktuella uppgifterna.
"Vi kombinerade vad biologi kan göra bäst med vad kemi kan göra bäst, och vi satte ihop dem för att skapa denna tvåstegsprocess", säger Wang, Ph.D., biträdande professor i biologiska vetenskaper vid UB College of Konst och vetenskap. "Med den här metoden kunde vi göra olefiner direkt från glukos."
En stam av E. coli som inte äventyrar människors hälsa växer i en kolv full av näringsämnen (den gula buljongen). I en studie, genetiskt modifierade forskare sådana E. coli för att omvandla glukos till en klass av fettsyror, som laget sedan omvandlade till ett kolväte som kallas en olefin. Kredit:Douglas Levere / University at Buffalo
En stam av E. coli som inte äventyrar människors hälsa växer i en kolv full av näringsämnen (den gula buljongen). I en studie, genetiskt modifierade forskare sådana E. coli för att omvandla glukos till en klass av fettsyror, som laget sedan omvandlade till ett kolväte som kallas en olefin. Kredit:Douglas Levere / University at Buffalo
Glukos kommer från fotosyntes, som drar CO2 ur luften
"Att tillverka biobränslen från förnybara resurser som glukos har stor potential att främja grön energiteknik", säger Wang.
"Glukos produceras av växter genom fotosyntes, som omvandlar koldioxid (CO2 ) och vatten till syre och socker. Så kolet i glukosen – och senare olefinerna – kommer faktiskt från koldioxid som har dragits ut ur atmosfären”, förklarar Wang.
Mer forskning behövs dock för att förstå fördelarna med den nya metoden och om den kan skalas upp effektivt för att tillverka biobränslen eller för andra ändamål. En av de första frågorna som kommer att behöva besvaras är hur mycket energi processen för att framställa olefinerna förbrukar; om energikostnaden är för hög skulle tekniken behöva optimeras för att vara praktisk i industriell skala.
Zhen Wang, biträdande professor vid universitetet i Buffalo i biologiska vetenskaper, är expert på syntetisk biologi. Kredit:Douglas Levere / University at Buffalo
Zhen Wang, biträdande professor vid universitetet i Buffalo i biologiska vetenskaper, håller i en kolv som innehåller en stam av E. coli som inte äventyrar människors hälsa. Wang och kollegor har visat att genetiskt modifierad E. coli kan omvandla glukos till en klass av fettsyror, som sedan kan omvandlas till kolväten som kallas olefiner. Kredit:Douglas Levere / University at Buffalo
Forskare är också intresserade av att öka avkastningen. För närvarande krävs det 100 glukosmolekyler för att producera cirka 8 olefinmolekyler, säger Wang. Hon skulle vilja förbättra det förhållandet, med fokus på att locka E. coli att producera mer av 3-hydroxifettsyrorna för varje gram glukos som konsumeras.
Medförfattare till studien i Nature Chemistry inkluderar Wang; Chang; Heng Song, Ph.D., vid UC Berkeley och Wuhan University i Kina; Edward J. Koleski, Noritaka Hara, Ph.D., och Yejin Min vid UC Berkeley; Dae Sung Park, Ph.D., Gaurav Kumar, Ph.D., och Paul J. Dauenhauer, Ph.D., vid University of Minnesota (Park är nu vid Korea Research Institute of Chemical Technology).
