Синтетическая биология может заменить нефть в качестве химического сырья

Бактерия Clostridium autoethanogenum

Способность бактерии Clostridium autoethanogenum преобразовывать отработанные газы сталелитейных заводов в товарные химические вещества, открывает новые возможности.

Химикаты обходятся нам гораздо дороже своего денежного эквивалента: сегодня на долю нефтехимического производства приходится почти 2% глобальных выбросов парниковых газов. Теперь ученые предприняли важный шаг, чтобы значительно сократить этот показатель, используя бактерии и отработанные газы сталелитейных заводов, а не нефть, в качестве исходного ингредиента для десятков коммерческих химикатов. До сих пор этот процесс использовался для трех коммерческих химических веществ. Но поскольку интеграция метода универсальна, это может помочь химической промышленности избавиться от необходимости использования ископаемого топлива, тем самым сократив количество углеродных выбросов.

Использование биологии для переработки продуктов сгорания и производства промышленных химикатов, весьма перспективно, — говорит Коринн Сконе, эксперт по биотопливу из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, которая не участвовала в этой работе. Это относится сразу к двум секторам, которые трудно обезуглероживать: производство стали и промышленная химия. Это может решить трудную проблему.

Люди тысячелетиями использовали микробы для производства таких продуктов, как алкоголь, сыр и йогурт. Но биотехнология не развивалась в промышленных масштабах до начала 1900-х годов, когда, например, химик Хаим Вейцман создал несколько видов бактерий Clostridium для превращения крахмалов и сахаров в ацетон, необходимый ингредиент для производства кордита, бездымной альтернативы пороху. Открытие Вейцмана было ключом к победе союзников в Первой мировой войне и сделало его знаменитым. Политик, а также химик, Вейцман в конце концов стал первым президентом Израиля в 1949 году. Но подъем нефтяной промышленности в 1950-х и 60-х годах дал производителям химических веществ более дешевое сырье для десятков коммерческих химикатов, отправив большинство микробов в мусорное ведро для промышленных отходов. Но не все.

Сегодня дрожжи и кишечная палочка широко используются для производства целого ряда химических веществ, включая этанол в качестве топлива и соединений, используемые для производства фармацевтических препаратов и пластмасс. Но эти промышленные рабочие лошадки имеют свой собственный экологический след, потому что сахара и крахмалы, которые они ферментируют, поступают из таких культур, как кукуруза и сахарный тростник. К 2026 году кукуруза, выращиваемая для производства этанола в США, будет занимать до 19% сельскохозяйственных угодий страны.

Производство товарных химикатов путем ферментации сахара по-прежнему трудно масштабировать. Только несколько примеров достигли промышленного уровня, включая пропандиол, бутандиол, изобутанол, фарнезен, молочную кислоту и янтарную кислоту — все это потребовало значительных финансовых и человеческих вложений. Экономика превращения одного товара (сахара) в другой, сложна. В случае производства ацетона и изопропилового спирта из сахаров максимальный выход составляет 50%. Несмотря на существенное развитие и высокотехнологичные системы, которые продемонстрировали улучшения по сравнению с ранними периодами, была достигнута лишь умеренная производительность до 0,15 л/ч для ацетона и 0,6 л/ч для изопропанола.

Производство ацетона и изопропанола с отрицательным выбросом углерода

Теперь биологи стремятся выращивать микробы на более экологически чистой диете, используя отработанные газы, образующиеся в промышленности, на мусорных свалках и в растениеводстве, говорит Майкл Кёпке, биолог-синтетик из биотехнологической компании LanzaTech. В 1990-х исследователи «сконструировали» анаэробную бактерию Clostridium autoethanogenum, первоначально обогащённую кроличьими фекалиями, для производства этанола из газообразного водорода и монооксида углерода (угарный газ). С тех пор исследователи постепенно улучшали получение этанола и коммерциализировали процесс. В июне 2018 года LanzaTech открыла первый производственный завод, на котором бактерия используется для производства этанола из отходящих газов сталелитейного завода, смеси в основном угарного, углекислого газа и газообразного водорода, которые в противном случае выбрасывались бы в атмосферу. В настоящее время компания использует эту технологию для производства около 90000 тонн этанола в год.

Однако бактерия Clostridium autoethanogenum никогда не могла сравниться по универсальности с кишечной палочкой или дрожжами. До сих пор разработка клостридий была сложной задачей, — говорит Майкл Джеветт, биолог-синтетик из Северо-Западного университета. Бактерии растут медленно и погибают от воздействия кислорода. Кроме того, у исследователей было всего несколько не так много инструментов при редактировании генов для изменения микробного метаболизма.

На сегодня ситуация изменилась. Майкл Джеветт, Кепке и их коллеги использовали многоэтапную стратегию, чтобы убедить бактерию Clostridium autoethanogenum производить ацетон и изопропанол (ИПС), бесцветную жидкость, содержащуюся в дезинфицирующих и чистящих средствах. Они начали с коллекции из 272 штаммов клостридий, поедающих сахар, которую содержал вышедший на пенсию южноафриканский микробиолог Дэвид Т. Джонс, один из последних помощников Вейцмана. Исследовательская группа разобрала бактериальные клетки и извлекла из них ферменты, которые, по-видимому, играют определенную роль в биосинтезе ацетона. Они секвенировали гены для 30-ти ферментов и вставили их комбинации в клостридии. Для этого использовались плазмиды, как способ доставки генетической информации. Отдельно ученые создали модифицированную бактерию Clostridium autoethanogenum для предотвращения образования других нежелательных химических веществ из строительных блоков углерода и водорода.

В конечном счете ученые создали и протестировали 247 генетических вариантов бактерий, чтобы найти лучших из тех, кто будет заниматься производством химических веществ. Результатом, как они отчитались в Nature Biotechnology, являются штаммы бактерии Clostridium autoethanogenum, которые непрерывно превращают отработанные газы в процессе сталелитейного производства в достаточное количество ацетона и изопропанола, чтобы сделать их жизнеспособными кандидатами для крупномасштабного коммерческого производства.

Производство ацетона из продуктов сгорания

Производство ацетона и изопропилового спирта из продуктов сгорания

Обзор применяемых инструментов и стратегий для продвижения производства ацетона и изопропилового спирта из продуктов сгорания от проверки концепции до промышленного уровня.

Джеветт ожидает, что тот же процесс может привести к тому, что бактерии будут производить множество других химических веществ, таких как бутанол, используемый в лаках, и пропандиол, который содержится в косметике. Скаун добавляет, что новые методы синтетической биологии также могут помочь превратить других «непокорных» микробов в полезных для нас.

Использование отходов вместо сахара в качестве сырья отделяет производство от цен на сырье, улучшая экономические показатели. В настоящее время действуют первые промышленные установки газовой ферментации, которые превращают отходы в этанол в процессе непрерывной ферментации с использованием ацетогена Clostridium autoethanogenum. Этанол является природным продуктом ацетогенов, но с помощью генной инженерии в лабораторных масштабах был продемонстрирован синтез целого ряда товарных химических веществ. Однако достигнутая эффективность менее 100 мг/ч и селективность менее 10% остаются низкими показателями, а производство не является устойчивым в течение длительных периодов времени в непрерывном режиме. В частности, для ацетона и изопропанола самая высокая зарегистрированная скорость автотрофного производства составляет 3,8 мг/ч при селективности 1,2%, что недостаточно для коммерциализации.

Но всё таки достигнутый прогресс открывает двери для модифицированных микробных организмов, которые могут питаться другими газовыми выбросами, например образующиеся в результате процесса гниения твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов. И если, подобно бактериям Clostridium autoethanogenum эти микробы используют в своих процессах больше углерода, чем выбрасывают в атмосферу, промышленное химическое производство может когда-нибудь превратиться из изгоя вызывающего парниковый эффект в нечто позитивное.

Ссылка на исследование в тексте статьи. 

Роберт Ф. Сервис

Боб — репортер журнала Science в Портленде, штат Орегон, освещающий статьи о химии, материаловедении и энергетике.

Читайте также: