Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир


У. Айзексон
«Инноваторы». Глава из книги


Н. Резник
Жираф большой, ему видней, и сам он хорошо заметен


М. Софер
Куда уходит лето?


С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


В. Мацарский
Разгневанный Эйнштейн и «темный» рецензент


Ник. Горькавый
Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире


В. Аполлонов
Александр Михайлович Прохоров: к 100-летию со дня рождения







Главная / Новости науки версия для печати

Созданы микробы, использующие электроэнергию для производства жидкого топлива


Ralstonia eutropha

Ralstonia eutropha — бактерия, которая в будущем, возможно, заменит человечеству нефтяные месторождения. Изображение с сайта www.genomik.uni-goettingen.de

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.

Схема биореактора

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). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

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: Han Li, Paul H. Opgenorth, David G. Wernick, Steve Rogers, Tung-Yun Wu, Wendy Higashide, Peter Malati, Yi-Xin Huo, Kwang Myung Cho, James C. Liao. Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols // Science. 2012. V. 335. P. 1596.

Александр Марков


Комментарии (14)



Последние новости: БиотехнологииМикробиологияАлександр Марков

19.09
Муравьи помогают тлям сохранять разнообразие окраски
13.09
Эволюционный эксперимент показал, где и как появляются наиболее приспособленные особи
12.09
У древних четвероногих было долгое детство
6.09
Собачий мозг обрабатывает речевую информацию почти так же, как человеческий
6.07
Метанокисляющие микроорганизмы донных осадков оказались неожиданно разнообразными
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
6.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия