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


14
Показать комментарии (14)
Свернуть комментарии (14)

  • Geen  | 02.04.2012 | 15:09 Ответить
    Прикинул на пальцах: на 400 Дж затрат получили продукта на 1 Дж... - есть сомнения, что этот показатель может быть существенно улучшен :(
    Ответить
  • olegov  | 02.04.2012 | 17:20 Ответить
    изобутанол и изогептанол растворимы в воде в достигаемых концентрациях, как авторы собираются выделять продукт?
    Уверен паралельно получению бутанолов идет образование побочной органики, ухудшающих конечное топливо и тормозящих процесс его производства,
    как авторы собираются ингибировать эти процессы и избавляться от них из продукта? Как авторы собираются отделять прочие продукты жизнедеятельности бактерий? Липидоподобные вещества.
    Похоже статья не более чем попытка заявить себя в новом направлении, до хоть сколько нибудь пилотной установки и нормальных выходов им как до Луны.
    Ответить
    • kbob > olegov | 02.04.2012 | 19:33 Ответить
      Бродильное производство в чистом виде. Сбраживание муравьиной кислоты в сивушное масло. Лучше бы дрожжи научили из электрического тока спирт получать!
      Ответить
      • olegov > kbob | 03.04.2012 | 09:28 Ответить
        Да, ерунда. Электролиз СО2 в муравьинку, дальше брожение. Больше всего порадовало про то что бактерии отказались жить в электролизной ванне, это что студенты экспериментировали, которым не известны продукты выделяемые на катоде и аноде в водных растворах и их биологическое действие? Удивительно, оказывается сильнейший окислитель - радикалы кислорода уничтожает бактерии, чудеса не правда ли? Применили пористый керамический стакан, которому сто лет в обед. Хороших выходов не показали, оптимизацию процесов не провели, анализа смеси и решение проблем выделения топлива не предоставили. Похоже студенческая работа, 5-ый курс или пиэйчди.
        Ответить
        • kbob > olegov | 04.04.2012 | 07:38 Ответить
          "Авторы добавили в геном ралстонии комплекс генов, необходимых для синтеза изобутанола и 3MB."

          Продвинутые 5-ти курсники попались!
          Ответить
          • olegov > kbob | 04.04.2012 | 09:07 Ответить
            Это да, скоро гены будут в школе встраивать :))
            Ответить
            • VerBa > olegov | 05.04.2012 | 23:43 Ответить
              Что значит скоро - уже встраивают. У Вас, наверное, просто нет знакомых детей соответствующего возраста:)
              Ответить
              • olegov > VerBa | 09.04.2012 | 22:35 Ответить
                Я подозревал! Спасибо что открыли мне глаза.:)
                Ответить
  • vkushnirov  | 02.04.2012 | 23:52 Ответить
    А это был не первоапрельский выпуск Science?
    Даже в идеале сколько-нибудь разумный КПД превращения в топливо едва ли достижим, а ведь далее это топливо можно превратить в движение с КПД лишь 40%, в отличие от почти 100% для электричества.
    Ответить
    • olegov > vkushnirov | 03.04.2012 | 09:18 Ответить
      на мембране была эта же новость еще в марте.
      Ответить
      • VerBa > olegov | 05.04.2012 | 23:44 Ответить
        Нет, эта быть не могла, она была опубликована в Science совсем недавно. Вполне вероятно, было что-то похожее, альтернативное топливо - модная тема.
        Ответить
  • Olexa  | 05.04.2012 | 22:12 Ответить
    А откуда берется водород?
    Ответить
    • Olexa > Olexa | 21.04.2012 | 11:53 Ответить
      Не ответили. Подумали, что не внимательно читал?

      : Система работает на электроэнергии и использует в качестве сырья углекислый газ.

      : «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.

      Почему в перечне сырья отсутствует вода?

      Какая сладкая сказочка для озабоченных увеличением концентрации углекислого газа за счёт сжигания ископаемого топлива: на Земле огромные не занятые территории имеют полно солнца, а подлый углекислый газ в атмосфере везде, и перемешивается — заставляй их такими установками, и убивай кучу зайцев сразу. Вот только воды-то там как раз и нет. Но с учётом высокого уровня невежества в США, который, вполне возможно, затрагивает и принимающих решения о распределении больших денег, может быть достаточно не упомянуть о воде в тексте (а в школьной химии они всё равно двоечники), чтобы получить доступ к деньгам на свою разработку.

      Можно предположить такую мотивацию у авторов (если они действительно умолчали про воду), но Александр, почему этого не указали Вы?
      Ответить
  • VerBa  | 19.04.2012 | 10:11 Ответить
    http://www.nature.com/nbt/journal/v21/n10/full/nbt867.html
    Все наоборот:)
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»