Scientists have shown a new technology in which bioengineered bacteria can make cost-effective chemicals/polymers from renewable צמח מקורות
ליגנין is a material which is a constituent of cell wall of all dry land plants. It is the second most abundant natural polymer after cellulose. This material is the only polymer found in plants which is not composed of carbohydrate (סוכר) monomers. Lignocellulose biopolymers provide shape, stability, strength and rigidity to plants. Lignocellulose biopolymers consist of three main components: cellulose and hemicellulose form a framework in which lignin is incorporated as a kind of connector thus solidifying the cell wall. Cell wall lignification makes plants resistant to wind and pests and helps them from rotting. Lignin is a vast but very underutilized renewable resource of energy. Lignin which represents up to 30 percent of the lignocellulose biomass is an unexploited treasure – at least from a chemical point of view. The chemical industry depends mostly on carbon compounds for creating different products like paint, artificial fibres, fertilizers and most importantly plastic. This industry does use some renewable resources like vegetable oil, starch, cellulose etc but this comprises only 13 percent of all compounds.
ליגנין, חלופה מבטיחה לנפט לייצור מוצרים
In fact, lignin is the one and only source of renewable on earth that contains a large number of aromatic compounds. This is of importance because aromatic compounds are generally extracted from the non-renewable source petroleum and then are used to produce פלסטיק, paints etc. Thus, the potential of lignin is very high. In comparison to petroleum which is a non-renewable fossil fuel, lignocelluloses are derived from עץ, straw or Miscanthus which are renewable sources. Lignin can be grown in fields and forests and are generally neutral towards the climate. Lignocelluloses is being considered as a serious alternative to petroleum in past few decades. Petroleum drives the chemical industry at present. Petroleum is a raw material for many basic chemicals which are then used to produce useful products. But petroleum is non-renewable source and is dwindling, therefore focus needs to be on finding renewable sources. This brings lignin into the picture as appears to be a very promising alternative.
הליגנין מלא באנרגיה גבוהה אך שליפת אנרגיה זו היא מסובכת ותהליך יקר ולכן אפילו דלק ביולוגי שנוצר כתוצאה מכך הוא בדרך כלל גבוה מאוד בעלות ואינו יכול להחליף כלכלית "אנרגיה תחבורה" הנמצאת בשימוש כיום. גישות רבות נחקרו לפיתוח דרכים חסכוניות לפירוק ליגנין והמרתו לכימיקלים יקרי ערך. עם זאת, מספר מגבלות הגבילו את ההמרה של חומר צמח מגע כמו ליגנין לשימוש כמקור אנרגיה חלופי או אפילו לנסות להפוך אותו לחסכוני יותר. מחקר שנערך לאחרונה הנדס בהצלחה חיידקים (E. Coli) כך שיפעלו כמפעל תאי המרה ביולוגית יעיל ופרודוקטיבי. בַּקטֶרִיָה גדלים ומתרבים מהר מאוד והם מסוגלים לעמוד בתהליכים תעשייתיים קשים. מידע זה שולב עם הבנה של מפרקי ליגנין זמינים באופן טבעי. העבודה פורסמה ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדע ארה"ב.
The team of researchers led by Dr Seema Singh at the Sandia National Laboratories solved three main problems that are encountered in turning lignin into platform chemicals. The first major hurdle is that בקטריה E.Coli generally does not produce the enzymes which are needed for conversion. Scientists tend to solve this problem of making enzymes by adding an “inducer” to the fermentation ring. These inducers are effective but are very expensive and thus do not fit well in the concept of biorefineries. Researchers tried a concept wherein a lignin derived compound like vanilla was used as a substrate as well as an inducer by engineering the בקטריה E.Coli. This would bypass the need for an expensive inducer. Though, as the group discovered, vanilla wasn’t a good choice particularly because once lignin breaks down, vanilla is produced in large quantities and it starts inhibiting the function of E.Coli i.e. vanilla starts creating toxicity. But this worked in their favour when they engineered the בקטריה. In the new scenario, the very chemical that is toxic to the E.Coli is used to initiate the complex process of “lignin valorisation”. Once vanilla is present, it activates the enzymes and bacteria starts to convert vanillin into catechol, which is the desired chemical. Also, the amount of vanillin never reaches the toxic level as it gets autoregulated in the current system. The third and final problem was of the efficiency. The system of conversion was slow and passive thus researchers looked into more effective transporters from other bacteria and engineered them into E. Coli which then fast tracked the process. Overcoming toxicity and efficiency problems by such innovative solutions can help make the production of biofuel a more economical process. And, removal of an external inducer along with incorporation of auto-regulation can further optimize the biofuel-making process.
ידוע היטב שברגע שהליגנין מתפרק, יש לו את היכולת לספק או ליתר דיוק "להעניק" כימיקלים יקרי ערך לפלטפורמה, אשר לאחר מכן ניתן להמיר לניילון, פלסטיק, תרופות ומוצרים חשובים אחרים המופקים כיום מנפט, חומר שאינו -מקור אנרגיה מתחדש. מחקר זה רלוונטי בהיותו צעד לקראת מחקר ופיתוח פתרונות חסכוניים עבור דלק ביולוגי וייצור ביולוגי. באמצעות טכנולוגיית ביו-הנדסה נוכל לייצר כמויות גדולות יותר של כימיקלים לפלטפורמה ועוד כמה מוצרי קצה חדשים, לא רק עם E.Coli חיידקי אלא גם עם מארחים מיקרוביאליים אחרים. המחקר העתידי של המחברים יתמקד בהדגמת ייצור חסכוני של מוצרים אלה. למחקר זה יש השפעה עצומה על תהליכי ייצור אנרגיה והרחבת מגוון האפשרויות למוצרים ירוקים. המחברים מעירים כי בעתיד הקרוב ליגנוצלולוזה בהחלט צריכה להשלים את הנפט אם לא להחליף אותו.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
Wu W et al. 2018. לקראת הנדסת E. coli עם מערכת רגולטורית אוטומטית לוולוריזציה של ליגנין', PNAS של האקדמיה הלאומית למדעים. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
