Ажиотаж вокруг биогорючего, призванного, как считалось еще
недавно, если не полностью заменить, то хотя бы изрядно потеснить
получаемые из нефти бензин и дизельное топливо, заметно поутих. В
немалой степени это связано с ростом мировых цен на продукты питания,
потому что оказалось, что технические культуры, служащие растительным
сырьем для производства биогорючего, конкурирует за посевные площади с
пищевыми и кормовыми культурами. Конечно, это не значит, что саму идею
биотоплива можно сдавать в архив, но очевидно, что без новых подходов
проблему не решить.
Речь должна идти, прежде всего, о повышении эффективности
использования посевных площадей, то есть о переработке на топливо всей
без исключения растительной биомассы, полученной с данного участка. А
еще лучше - о том, чтобы, скажем, кукурузные початки шли в пищу, а
листья, стебель и все прочее - на биоэтанол. Однако расщепление
целлюлозы связано с целым рядом технологических проблем.
Грязную работу поручили бактериям
Дрожжи, осуществляющие процесс брожения, очень легко усваивают и
перерабатывают в спирты простые сахара вроде глюкозы, а вот сложные
соединения - полисахариды вроде целлюлозы - им, так сказать, не по
зубам. Значит, чтобы дрожжи могли обеспечить эффективное брожение
биомассы с выделением значительного количества спиртов, молекулы
целлюлозы следует заранее расщепить. Но не все так просто.
Целлюлоза, она же клетчатка, - это биополимер, молекулы которого
представляют собой длинные, соединенные между собой множеством
водородных связей, линейные цепочки из сотен или даже тысяч остатков
глюкозы. При ферментативном расщеплении целлюлозы образуется сахарный
раствор, содержащий целый ряд ядовитых соединений - в частности,
альдегиды. Их необходимо удалить из раствора, иначе они погубят
дрожжевую культуру. Остроумное решение этой проблемы предложили теперь
нидерландские ученые.
Франк Копман (Frank Koopman), биохимик Технического университета в
Делфте, нашел почвенную бактерию, готовую взять на себя выполнение этой
"грязной" работы. Этот микроорганизм известен науке под именем
Cupriavidus basiliensis, - говорит исследователь: "Эта бактерия способна
расщеплять токсичные альдегиды. Более того, мы обнаружили, что она
также разлагает едва ли не все ядовитые соединения, содержащиеся в
сахарном растворе. А вот углеводы, сами сахара, бактерия не трогает.
Таким образом, с помощью этого одноклеточного микроорганизма мы можем
очистить сахарный раствор от ядовитых примесей - с тем, чтобы другие
микроорганизмы - те же дрожжи - беспрепятственно обеспечили его брожение
с выделением, например, этанола".
Бактерии на службе у "зеленой" химии
Казалось бы, результат достигнут, и очень неплохой результат, однако
ученые из Делфта на этом не остановились. Они решили выяснить, как
именно бактерия расщепляет альдегиды и какие промежуточные продукты при
этом образуются. К своему собственному удивлению исследователи
обнаружили, что одним из таких продуктов является органическое
соединение, известное под названием дегидрослизевая или
фуран-2,5-дикарбоновая кислота.
"Это сразу же пробудило наш интерес, - говорит Франк Копман. - Дело в
том, что это вещество входит в составленный Министерством энергетики
США перечень из 12 субстанций, получаемых из биомассы и имеющих
наибольший потенциал как сырье для экологически чистой, так называемой
"зеленой" химической промышленности будущего. В частности,
дегидрослизевая кислота может быть использована в производстве
полиэтилентерефталата".
Полиэтилентерефталат - это широко распространенный термопластичный
полимер, поддающийся экструзии, литью под давлением и формованию. Из
этого соединения изготовляют, например, бутылки для минеральной воды.
Полиэтилентерефталат получают сегодня из двух компонентов -
этиленгликоля и терефталевой, она же бензол-1,4-дикарбоновой, кислоты.
Терефталевую кислоту вполне можно было бы заменить дегидрослизевой, что
сделало бы все производство полимера более экологичным.
Одним выстрелом - двух зайцев
Проблема, однако, состоит в том, что изолировать дегидрослизевую
кислоту, образующуюся в сахарном растворе при расщеплении альдегидов,
никак не удается, поскольку бактерия Cupriavidus basiliensis тотчас
расщепляет и ее. В поисках выхода из тупика Франк Копман исследовал
геном этой бактерии, идентифицировал и изолировал нужные гены и внедрил
их в геном другой бактерии, широко используемой в сфере биотехнологий -
Pseudomonas putida.
"Pseudomonas putida - этот бактериальный штамм, невосприимчивый к
большинству растворителей, - поясняет ученый. - Мы очень часто
используем его у себя в лаборатории в качестве своего рода
микроорганизма-хозяина для чужеродных генов, что позволяет методами
генной инженерии синтезировать самые разные субстанции. Для этих целей
штамм подходит просто идеально, поскольку он легко переносит даже
высокие концентрации ядовитых веществ".
Этот полученный нидерландскими учеными генетически модифицированный
микроорганизм позволил им, как говорится, одним выстрелом убить сразу
двух зайцев: во-первых, они упростили технологию получение биоэтанола из
клетчатки, очищая сахарный раствор дрожжевой культуры от ядовитых
компонентов, а во-вторых, эти извлеченные из раствора ядовитые
компоненты использовали для получения ценного и весьма перспективного
химического сырья. Нидерландские ученые уже подали заявку на патент,
защищающий их приоритет в разработке этой инновационной технологии.
Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева
