Американские биотехнологи разработали «электромикробный» биореактор для производства жидкого топлива, пригодного для двигателей внутреннего сгорания. Система работает на электроэнергии и использует в качестве сырья углекислый газ. Формиат, образующийся электрохимическим путем из CO2, служит пищей генетически модифицированным бактериям Ralstonia, в геном которых встроены гены для производства жидкого топлива (изобутанола и 3-метил-1-бутанола).
Поиск эффективных методов получения энергии из возобновляемых ресурсов — одна из актуальнейших задач, стоящих перед специалистами по биоинженерии. Самым обильным и практически неисчерпаемым энергетическим ресурсом, доступным человечеству, является солнечное излучение. Исследователи прилагают немалые усилия, чтобы научиться утилизировать его эффективнее, чем это делают живые организмы при помощи фотосинтеза. Конечно, мы можем выращивать лес на дрова или гнать из растительной биомассы этиловый спирт, но такие «дедовские» методы едва ли покроют наши растущие энергетические потребности, когда запасы ископаемого топлива станут подходить к концу. Радикально повысить эффективность фотосинтеза генно-инженерными методами, по-видимому, будет очень трудно (см.: Blankenship et al., 2011. Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement).
С другой стороны, современные фотоэлементы довольно эффективно превращают солнечный свет в электроэнергию, и есть основания надеяться на их дальнейшее совершенствование. Однако у электричества есть существенный недостаток: его трудно хранить и запасать впрок.
Поэтому было бы полезно научить какие-нибудь автотрофные организмы использовать электричество в качестве источника энергии для синтеза органики из CO2. Желательно, чтобы они при этом синтезировали не только ту органику, которая необходима им самим для роста и размножения, но вдобавок еще и биотопливо, пригодное для двигателей внутреннего сгорания.
Эту задачу удалось решить биологам из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Электромикробная» система, которую они разработали, на входе получает электричество и углекислый газ, а на выходе выдает изобутанол и 3-метил-1-бутанол (3MB) — вещества, которые можно использовать вместо бензина.
Главным действующим лицом в биореакторе является генетически модифицированная бактерия Ralstonia eutropha. Этот микроб популярен среди биотехнологов благодаря своим уникальным биохимическим способностям. Он может расти как гетеротроф, то есть питаться готовой органикой, но может жить и за счет хемосинтеза (как хемоавтотроф), то есть самостоятельно синтезировать органику из CO2, используя для этого энергию окислительно-восстановительных реакций. Одной из таких реакций, за счет которых ралстония может осуществлять автотрофный метаболизм, является расщепление формиата с образованием CO2 и NADH (NADH — универсальный донор электронов, который бактерия затем использует для фиксации CO2): HCOO– + NAD+ → CO2 + NADH.
Рис. 2. Схема биореактора. На катоде синтезируется формиат (HCOO–), который поглощается бактериями. Окисляя формиат, бактерии производят NADH, который затем используется для синтеза органики из CO2. Помимо веществ, необходимых для жизни и роста самих микробов, бактерии синтезируют биотопливо (Biofuels) при помощи встроенного в их геном комплекса генов (Synthetic pathway).
Авторы добавили в геном ралстонии комплекс генов, необходимых для синтеза изобутанола и 3MB. Эта генетическая конструкция была разработана ранее и опробована на кишечной палочке (см.: Atsumi et al., 2008. Non-fermentative pathways for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels). Основным ее компонентом являются гены ферментов, осуществляющих декарбоксилирование кетокислот, которые производятся бактериями в качестве промежуточных продуктов в ходе синтеза аминокислот валина и лейцина. В результате вещество, «предназначенное» для синтеза валина, частично превращается в изобутанол, а из предшественника лейцина производится 3MB.
Таким образом, были получены бактерии, которых можно «кормить» формиатом и получать на выходе биотопливо. Формиат же можно получать из CO2 при помощи электричества (см. рис. 2). Однако для того, чтобы «электромикробный» биореактор заработал, нужно было решить еще одну проблему: бактерии поначалу наотрез отказывались расти в среде, через которую пропускают электрический ток. Как выяснилось, их рост подавлялся двумя веществами, образующимися на аноде: оксидом азота (NO) и супероксидом (O2–). Чтобы справиться с этой трудностью, оказалось достаточно поместить анод в пористый керамический стаканчик. Это затруднило диффузию вредных веществ в окружающую среду, где живут бактерии. В итоге микробы стали благополучно расти в реакторе и производить биотопливо из углекислого газа, используя электрический ток в качестве единственного источника энергии.
Конечно, о промышленном производстве речь пока не идет: удалось получить лишь чуть больше 140 миллиграммов биотоплива на литр среды за 100 часов работы реактора (при напряжении 4 В и силе тока 250 мА). Главная заслуга авторов — в демонстрации принципиальной возможности подобного процесса. Может быть, наши потомки будут получать жидкое топливо в таких реакторах, подключенных к солнечным батареям. Кроме того, формиат образуется при разложении органики, что может в будущем облегчить ее вторичную переработку.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ
