Направи дарение на училище!

Автор: Константина Чешмеджиева, студент по Биотехнолигии, 3 курс

Екологията и устойчивото развитие несъмнено са актуална тема днес. Осъзнаването на последствията от разхищението на ресурси и замърсяването с неразградими или трудно разградими полимери е важна крачка към предприемането на правилните действия за опазване на околната среда в глобален мащаб. Докато многобройни медийни кампании из интернет целят да променят отношението на масовия потребител, учените по света търсят решения за „по-умна” индустрия.

„Умните” решения на 21 век са свързани най-вече със създаването на устойчиви цикли на производство, включващи рециклирането на полимерни изделия и използването им като суровина за нови продукти. Постигането на устойчивост се гради на въвеждането на иновативни технологии с цел употребата на наличните ни ресурси с минимално замърсяване на околната среда.

Един от най-належащите проблеми пред науката и индустрията е използването на изкопаеми горива за създаване на химикали и пластмаса. Повсеместната употреба и разнообразието на гореспоменатите категории продукти налага тяхното интензивно производство, следователно и интензивното използване на изкопаеми горива и най-вече петрол, като суровини. Според доклад на Международната агенция по енергията, през 2017 г. биват използвани по 12 милиона барела петрол на ден като суровина за производство на нефтени дестилати. Нефтените дестилати служат като суровини в козметичната индустрия, влизат в състава на бои, химикали, агропрепарати, опаковки, пластмаси, бутилки и други полимерни изделия. Според доклада, потреблението на петрол за тези цели се очаква да достигне до 18 милиона барела дневно до 2050 г. Цифрите не са никак обещаващи – тези тонове петрол ще бъдат безвъзвратно изтеглени от земните залежи, ще преминат обработка в рафинерии и ще се превърнат в продукти със съмнителна степен на рециклируемост. А дори не се споменава замърсяването на околната среда при рафинирането на петрола и производството на съответните полимерни изделия.

Какъв е изходът, който предлага науката за решаването на този проблем

Разбери повече за БГ Наука:

***

След като прочетохте за вдъхновяващия подход за превръщането на лигноце­лулозната биомаса в горива и ценни за индустрията химикали чрез разработване на нови нанопорести катализатори от екипа от лаборатория Органични реак­ции върху микропорести материали (ОРММ) към Института по органична химия с Център по фитохимия – Бъл­гарска академия на науките (ИОХ­ЦФ-БАН) в брой 121 на сп. Българска Наука, днес ще бъде представен още един иновативен подход към устойчивото усвояване на ресурсите от лигноцелулозната биомаса.

Съвременната наука все по-често намира решенията на индустриалните проблеми в пресечната точка между биологията, химията и инженерните науки –а именно чрез използването на биотехнологии за оползотворяването на природните ресурси по възможно най-чист начин. Калифорнийски учени са разработили биотехнология, с помощта на която лигнинът от растителните клетки на лигниноцелулозната биомаса може да бъде преработен до катехол – мономер, нужен в производството на найлони, пластмаси, пестициди, биогорива и като суровина в козметичната и фармацевтичната промишлености. А всичко това става с помощта на… Escherichiacoli в ролята на биореактор.

Лигнинът представлява до 40% от масата на растителната клетъчна стена. Той е и един от малкото възобновяеми ресурси на ароматни съединения на Земята. Лигнинът е биохетерополимер, който се отстранява при производството на хартия и често завършва под формата на биогорива, изгаряни поради високата си енергийна стойност. Може да се открие и под формата на вестникарска хартия. Използването му като суровина в новата технология позволява оползотворяването му до много по-голяма степен. Служейки като суровина за добив на биогориво и химикали той е биологично чист и неизчерпаем.

На този етап обаче се налага да бъдат решени някои дребни проблеми като резистентните свойства на лигнина към микроби, как да бъде създадена система с подходящи компоненти в E. coli и как цената на подобно производство да бъде достатъчно ниска, за да бъде индустриално приложимо. Биотехнологичните похвати, използвани от калифорнийските учени, успяват да преодолеят всички бариери пред реализирането на процеса.

Ванилинът, който е продукт от деполимеризацията на лигнина, обикновено има инхибиращ ефект върху ензимната активност на E. coli. Чрез инженерно препрограмиране на генетичния материал на бактерията, успешно е създаден начин ванилинът да се използва като индуктор (молекула, помагаща един ген да бъде изразен) и субстрат едновременно.

Следователно системата, която се създава, трябва да преработва ванилина до катехол. При изграждането на тази система в ДНК молекулата на E.coli е вграден участък от генетичния материал на дрождите Saccharomycescerevisae. Това са дрождите, които карат хляба ни да придобие пухкава и лека структура. Участъкът, вграден в ДНК на бактерията, цели да обърне токсичния ефект на ванилина в катализиращ. Как това е възможно? Вграденият участък е промотор ADH7, иницииращ синтеза на ензима Adh7, чиято цел е намаляването на токсичния ефект на ванилина, трансформирайки го във ванилинов алкохол. Промоторът е необходим в препрограмираната клетъчна система, за да може токсичността на ванилиновите мономери да бъде преодоляна и те да продължат своята трансформация. В същото време изследвания показват, че високи концентрации на ванилин могат да имат катализиращ ефект върху NADPH-зависимия ензим Adh7. Така едновременно суровината играе ролята на субстрат и катализатор на процеса, избягвайки добавянето на стойност от използване на друг катализатор.

Използва се още протеин от лилава фотосинтезираща бактерия, транспортиращ катехола по-бързо в клетката (CouP) и щипка вдъхновение от подобен катаболитен път в бацила Sphingomonaspaucimobilis.

Всички тези инженерни решения, въведени в клетката на добре известната бактерия, създават пътя за преработката на лигнин чрез деполимеризация и преработката на мономернитеванилинови единици до катехол, биогориво и други ценни химикали. Въпреки че тази технология звучи твърде футуристично, положителни резултати са вече отчетени. По този начин производството на полимерните изделия, които използваме, придобива „био” измерение. А „био” измерението на технологиите днес е неоспоримо важно що се отнася до технологии, целящи да намалят антропогенното въздействие върху крехката екологична ситуация.

Въведението на тази технология допринася за развитието на устойчив кръговрат по отношение на енергията и усвояването на наличните природни ресурси (като лигниноцелулозна биомаса). Биотехнологията, разработена в Калифорния, позволява клетката на бактерия като Escherichiacoli да се превърне в екологично чист биореактор с индустриални цели. Тя е истинско вдъхновение за това как решението на проблеми с индустриални мащаби може да се крие в клетъчната система на една бактерия.

Източници:

[1] WeihuaWu, FangLiu, SeemaSingh, TowardengineeringE.coliwithanautoregulatorysystemforligninvalorization, March 2018https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5866589/

[2] IEA, TheFutureofPetrochemicals, May 2018

https://www.iea.org/petrochemicals/

[3] Trinh T. M. Nguyen, AyaIwaki, ShingoIzawa, The ADH7 PromoterofSaccharomycescerevisiaeisVanillin-InducibleandEnablesmRNATranslationUnderSevereVanillinStress, December 2015

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4676198/

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!