Синтетическая биология может помочь заменить нефть в качестве основного источника химического сырья.
Сегодня нефтехимическое производство создает почти 2% мировых выбросов парниковых газов. Недавно исследователи сделали важный шаг к значительному сокращению этого выброса, используя бактерии и отработанные газы сталелитейных заводов, а не нефть, в качестве исходного ингредиента для десятков сырьевых химикатов. До сих пор этот процесс использовался для получения трех товарных химикатов. Но поскольку исследователи могут расширить его на другие, это может помочь химической промышленности избавиться от зависимости от ископаемого топлива и эффективно удалять углерод из атмосферы.
"Использование биологии для утилизации отработанных газов и производства промышленных химикатов - это действительно интересно", - говорит Коринн Скоун, эксперт по биотопливу из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, который не принимал участия в работе. "Это направлено сразу на два сектора, которые трудно декарбонизировать: производство стали и промышленных химикатов. Это решает сложную проблему".
Люди тысячелетиями использовали микроорганизмы для производства таких продуктов, как алкоголь, сыр и йогурт. Но биотехнология в промышленных масштабах начала развиваться только в начале 1900-х годов, когда, в частности, химик Хаим Вейцман использовал несколько видов бактерий Clostridium для преобразования крахмала и сахаров в ацетон, важный ингредиент для производства кордита, бездымной альтернативы пороху. (Успех Вейцмана стал ключом к победе союзников в Первой мировой войне и принес ему известность; химик и политик-сионист, Вейцман в конце концов стал первым президентом Израиля в 1949 году). Но подъем нефтяной промышленности в 1950-х и 60-х годах дал химическим производствам более дешевые исходные материалы для десятков товарных химикатов, в результате чего большинство микробов оказались в мусорном баке.
Но не все. Сегодня дрожжи и Escherichia coli широко используются для производства ряда товарных химикатов, включая этанол для топлива и соединения, используемые для производства фармацевтических препаратов и пластмасс. Но эти промышленные рабочие лошадки имеют свой собственный экологический след, поскольку сахара и крахмалы, которые они ферментируют, получают из таких культур, как кукуруза и сахарный тростник. К 2026 году кукуруза, выращиваемая для производства этанола в Соединенных Штатах, займет до 19% сельскохозяйственных угодий страны.
Сейчас биологи-синтетики пытаются вырастить микробов на более экологичной 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 годах исследователи создали бактерию Clostridium autoethanogenum (C. auto), первоначально выделенную из кроличьих фекалий, для производства этанола из газообразного водорода и угарного газа (CO). С тех пор ученые постепенно улучшали выход этанола и коммерциализировали процесс. В июне 2018 года компания LanzaTech открыла первую производственную установку, использующую бактерии для получения этанола из отработанных газов сталелитейного завода (смесь в основном CO, углекислого газа и водорода), которые в противном случае выбрасывались бы в атмосферу. В настоящее время компания использует эту технологию для производства около 90 000 тонн этанола в год.
Тем не менее, C. auto никогда не могла сравниться по универсальности с кишечной палочкой или дрожжами. "До сих пор инженерия Clostridium была очень сложной, - говорит Майкл Джуэтт, биолог-синтетик из Северо-Западного университета. Бактерии медленно растут и погибают от воздействия кислорода. Кроме того, у исследователей мало специальных инструментов для редактирования генов, чтобы изменить метаболизм микробов".
Теперь это не так. Джуэтт, Кёпке и их коллеги использовали многоступенчатую стратегию, чтобы заставить C. auto вырабатывать ацетон и изопропанол (IPA), бесцветную жидкость, используемую в дезинфицирующих и чистящих средствах. Они начали с коллекции из 272 штаммов Clostridium, питающихся сахарами, которую хранил южноафриканский микробиолог на пенсии Дэвид Т. Джонс, один из последних аспирантов Вейцмана. Исследовательская группа изучила бактериальные клетки и нашла в них ферменты, которые, как оказалось, играют роль в биосинтезе ацетона. Они секвенировали гены 30 из этих ферментов и ввели их комбинации в C. auto с помощью плазмид, предназначенных для доставки генов. Отдельно исследователи изменили метаболизм C. auto, чтобы предотвратить образование из углеродных и водородных строительных блоков других нежелательных химических веществ. В итоге Джуэтт, Кёпке и их коллеги создали и проанализировали 247 генетических вариантов бактерий, чтобы найти лучших производителей химических веществ. В результате, как они сообщили вчера в журнале Nature Biotechnology, были получены штаммы C. auto, которые непрерывно преобразуют отработанные газы сталелитейного производства в достаточное количество ацетона и IPA, что делает их жизнеспособными кандидатами для крупномасштабного коммерческого производства.
Джуэтт ожидает, что этот же процесс может заставить бактерии производить множество других химических веществ, таких как бутанол, используемый в лаках, и пропандиол, используемый в косметике. Джуэтт добавляет, что новые методы синтетической биологии могут также помочь превратить другие неподатливые микробы в промышленных рабочих лошадок. "Мы только нащупали поверхность с точки зрения [микробных] хозяев, которые могут быть жизнеспособными в будущем", - говорит он.
Это достижение может также открыть двери для создания микроорганизмов, способных питаться другими отработанными газами, например, теми, которые образуются из твердых бытовых отходов и сельскохозяйственного мусора. И если, подобно C. auto, эти микробы будут использовать больше углерода при производстве своих продуктов, чем попадает в атмосферу, то промышленное химическое производство может когда-нибудь превратиться из изгоя по выбросам парниковых газов в чемпиона.
