" "

Ongebruikelijke Microbe ontworpen om gras in gas om te zetten

Tegenwoordig is bijna alle ethanol minste in de Verenigde Staten afkomstig van het omzetten van maïskorrels in brandstof. Maar omdat het verbouwen van maïs veel energie en kunstmest vereist, doet maïsethanol eigenlijk niet veel om het aardoliegebruik of de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Verschillende bedrijven werken aan het omzetten van landbouwafval bekend als cellulosemassa in ethanol. Maar ze hebben het moeilijk gehad om het zo goedkoop te maken als maïsethanol, omdat het kostbaar is om biomassa af te breken in suikers die microben kunnen fermenteren. Nu hebben onderzoekers in de Verenigde Staten een microbe ontwikkeld die zowel cellulose in suiker afbreekt als het vergist om ethanol te produceren.

De nieuw ontwikkelde microben zijn nog niet zo bekwaam in het maken van ethanol als gist, die maïskorrels omzet in brandstof. Maar als de onderzoekers de ethanolproductie van de insecten met nog eens 20% kunnen verhogen, zou dit producenten van cellulose-ethanol een nieuwe manier kunnen geven om hun kosten te verlagen en ethanol uit maïs te verplaatsen.

Maïsethanol is al een grote onderneming. Alleen al in de Verenigde Staten maken ethanolproducenten jaarlijks bijna 53 miljard liter ethanol uit maïs. Dat komt deels omdat het relatief eenvoudig is om te doen. Maïskorrels zijn gemaakt van zetmeel, een eenvoudig kettingachtig polymeer van glucose. Ethanolmakers hoeven alleen enzymen toe te voegen die het zetmeel in afzonderlijke glucosemoleculen willen hakken. Gist doet dan de rest in een gistingstank, waarbij de glucose wordt omgezet in ethanol.

Het maken van ethanol uit cellulose-biomassa is moeilijker. Cellulose vormt de celwanden van plantenbladeren en stengels. Het is ook gemaakt van lange ketens van glucosemoleculen die aan elkaar zijn gekoppeld tot vezels. Maar die vezels zijn verpakt in een houtachtig materiaal genaamd lignine, dat de suikers beschermt tegen hongerig ongedierte en producenten van cellulose-ethanol. Dus om cellulose-biomassa om te zetten in ethanol, moeten ingenieurs deze eerst malen en zuren of basen toevoegen om de lignine af te breken. Vervolgens voegen ze een enzym toe om de cellulose in afzonderlijke suikermoleculen te snijden, zodat gist ze tot ethanol kan fermenteren. Maar deze extra stappen voegen kosten toe, waardoor cellulose-ethanol een commercieel nadeel heeft vergeleken met maïs-ethanol

Eén sprankje hoop kwam met de ontdekking in de jaren tachtig van microben afkomstig uit hete bronnen in Yellowstone National Park in de Verenigde Staten en elders die van nature in staat zijn de lignine af te breken in celluloseachtige biomassa. Deze organismen maken geen ethanol, maar onderzoekers hoopten dat ze hun genen konden manipuleren om hen dat vermogen te geven. "Als je begint met organismen die het moeilijkste deel kunnen doen, is het relatief eenvoudig om hen te leren ethanol te maken", zegt Janet Westpheling, een geneticus aan de Universiteit van Georgia (UGA), Athene.

Westpheling en haar collega's besloten om bacteriën te gebruiken die Caldicellulosiruptor bescii worden genoemd, of kortweg Caldi . Het probleem was dat Caldi zo'n exotische microbe is dat de conventionele genetische hulpmiddelen voor het knippen en splitsen van genen, die werden ontwikkeld voor industriële organismen zoals Escherichia coli en gist, niet werkten. Dus de afgelopen 2 jaar hebben Westpheling en haar collega's een nieuwe set hulpmiddelen voor genmanipulatie ontwikkeld om genen in Caldi in te voegen en te verwijderen. Dat vormde de basis voor hun huidige project, waardoor Caldi zijn nieuwe talent kreeg.

Westpheling en collega's van UGA en het BioEnergy Science Center van het Oak Ridge National Laboratory hebben een gen toegevoegd met de naam acetaldehyde / alcoholdehydrogenase waarmee de organismen eenvoudige suikers kunnen fermenteren tot ethanol. En ze verwijderden een ander gen dat het organisme gebruikt om een ​​product te maken dat lactaat wordt genoemd, een verbinding waar de microben zonder kunnen leven, maar die normaal veel van hun metabolische activiteit opneemt. Het resultaat, dat ze vandaag online rapporteren in de Proceedings van de National Academy of Sciences, was een batch van Caldi die, wanneer toegepast op onbewerkt switchgrass - een vorm van celluloseachtige biomassa die bijna overal kan groeien - in staat was het plantmateriaal af te breken en zet 70% van de suikers om in ethanol.

Dat is nog steeds ver onder de 100% suiker-ethanolconversie van gist. Maar Westpheling gelooft dat als ze dat aantal tot ongeveer 90% kunnen verhogen, ethanol uit switchgrass met Caldi goedkoper kan worden gemaakt dan met maïs. "Het idee om celluloseachtige biomassa zonder voorbehandeling te verwerken is een belangrijk idee", zegt Lee Lynd, een expert op het gebied van cellulose-ethanol aan het Dartmouth College die niet bij het werk betrokken was. Hij voegt eraan toe dat de strategie om exotische microben in industriële grootmachten te veranderen in plaats van de huidige industriële microben te tweaken "een opkomende trend is die opwindend is". En het is er een die waarschijnlijk beter zal worden, omdat onderzoekers hun hulpmiddelen aanscherpen voor het manipuleren van het metabolisme van Caldi . "Deze bug is niet lang uit de modder", zegt Lynd. En het staat al op het punt om de wereld te veranderen.