Инженерные бактерии производят биотопливо — альтернативу высокоэнергетическому ракетному топливу
Исследователи из Технологического института Джорджии и Объединенного института биоэнергетики создали бактерию, синтезирующую пинен — углеводород, производимый деревьями. Он потенциально может заменить высокоэнергетическое топливо, такое как JP-10, в ракетах и других аэрокосмических применениях. При повышении эффективности процесса это биотопливо могло бы пополнить ограниченные запасы нефтяного JP-10 и способствовать созданию нового поколения более мощных двигателей.
Внедрив ферменты деревьев в бактерию E. coli, аспирант Стивен Саррия под руководством доцента Памелы Перальта-Яхьи увеличил производство пинена в шесть раз по сравнению с предыдущими попытками биоинженерии. Хотя для конкуренции димеров пинена с нефтяным JP-10 потребуется более значительный прогресс, ученые считают, что они определили основные препятствия для достижения этой цели.
Исследование, профинансированное стартовыми фондами Технологического института Джорджии и Управлением науки Министерства энергетики США, было опубликовано 27 февраля 2014 года в журнале ACS Synthetic Biology.
«Мы создали устойчивый прекурсор тактического топлива с высокой плотностью энергии, — заявила Перальта-Яхья. — Мы сосредоточены на создании "прямого" топлива, идентичного нефтяному и совместимого с существующей инфраструктурой».
Топливо с высокой плотностью энергии критически важно там, где нужно минимизировать его вес. Бензин и дизель содержат меньше энергии на литр, чем JP-10. Высокая плотность энергии JP-10 обусловлена его молекулярной структурой, включающей напряженные углеродные циклы.
Количество JP-10, которое можно получить из барреля нефти, ограничено, а природные источники (например, деревья) не могут обеспечить значительные объемы. Ограниченность предложения держит цену JP-10 на уровне около 25загаллон * *.Этаценадаетисследователям, работающимнадбиологическойальтернативой, преимуществопередтеми, ктопытаетсязаменитьбензин(**3 за галлон).
В то время как производству этанола и биодизеля уделялось много внимания, поиску замены для высокоэнергетического JP-10 — значительно меньше.
Команда Перальта-Яхьи решила улучшить предыдущие результаты, изучив альтернативные ферменты для внедрения в E. coli. Они экспериментировали с двумя классами ферментов — тремя пиненсинтазами (PS) и тремя геранилдифосфатсинтазами (GPPS) — в поисках наиболее эффективной комбинации.
Результаты стали значительно лучше, но выход топлива в пересчете на литр все еще уступал показателям для других углеводородов. Тогда ученые пошли дальше, разместив два фермента в клетке E. coli рядом друг с другом, чтобы обеспечить немедленный контакт продукта одного фермента со вторым. Это увеличило производство до 32 миллиграммов на литр — серьезный прогресс, но все еще недостаточный для конкуренции с нефтяным JP-10.
Перальта-Яхья считает, что проблема теперь заключается во внутреннем ингибировании процесса, которое сложнее преодолеть.
«Мы обнаружили, что фермент ингибируется субстратом, и это ингибирование зависит от концентрации, — пояснила она. — Теперь нам нужен либо фермент, не ингибируемый при высоких концентрациях субстрата, либо путь, способный поддерживать низкую концентрацию субстрата. Обе задачи сложны, но не непреодолимы».
Чтобы стать конкурентоспособным, производство пинена необходимо увеличить еще в 26 раз. По мнению Перальта-Яхьи, это достижимо методами биоинженерии E. coli.
«Хотя мы все еще на уровне миллиграммов на литр, высокая цена целевого продукта означает, что мы относительно ближе к цели», — отметила она.
Теоретически производство пинена может стать дешевле, чем из нефтяного сырья. Если это удастся и биотопливо будет хорошо работать, это может открыть путь к созданию более легких и мощных двигателей за счет увеличения поставок высокоэнергетического топлива. Уже показано, что димеры пинена, получаемые при его димеризации, имеют плотность энергии, сравнимую с JP-10.