Новая технология производства авиационного биотоплива

Решая задачу создания возобновляемых источников энергии для средств передвижения исследователи создали микроорганизмы, позволяющие производить биотопливо, которое может приводить в движение автомобили. Но для гражданской и военной авиации требуется топливо с более высокой плотностью энергии.

В новой работе сообщается о модифицированной бактерии, вырабатывающей пинен, который при димеризации мог бы использоваться для заправки двигателей самолетов, ракет и реактивных снарядов.

Памела Пералта-Яхья (Pamela Peralta-Yahya) из Технологического института Джорджии говорит, что обычное авиационное топливо, применяющееся для реактивной авиации, как например, состав, известный как JP-10, содержит углеводороды с напряженными циклическими системами, которые позволяют концентрировать высокую плотность энергии в небольшом объеме, что позволяет летательному аппарату уменьшить размер (и, следовательно вес) топливных баков. Недавно, исследователи обнаружили, что димеры пинена, содержащие четырехчленный напряженный цикл, могут стать топливом схожим по энергетической плотности с составом JP-10. Хвойные деревья и другие растения вырабатывают такую молекулу, обуславливающую аромат хвои. Пералта-Яхья считает, что невозможно вырастить достаточное количество деревьев для производства тактического топлива. Поэтому, по мнению Пералта-Яхья, необходимо искать новый источник пинена.

С дополнительными генами геранил дифосфат синтазы [geranyl diphosphate synthase (GPPS)] и пинен синтазы [pinene synthase (PS)], бактерии приобрели способность синтезировать пинен – прекурсор биотоплива, из глюкозы. Благодаря метаболическим путям самих микроорганизмов глюкоза преобразуется в acetyl-CoA, затем в изопентенилдифосфат [isopentenyl diphosphate (IPP)] и диметилаллилдифосфат [dimethylallyl diphosphate (DMAPP)]. Затем два введенных в генотип бактерии фермента захватывают эти метаболиты и превращают их в пинен. Впоследствии с помощью катализатора химики могли бы димеризовать пинен в биотопливо (структура крайняя справа)

Растения вырабатывают пинен за счет работы двух ключевых ферментов – геранилдифосфатсинтазы и пиненсинтазы. Пералта-Яхья со своей исследовательской группой добавила гены, обеспецивающие экспрессию самой активной пары белков из шести растений к последовательности кишечной палочке Escherichia coli, чтобы микроорганизмы могли бы превратить в пинен свои собственные метаболиты. Пералта-Яхья рассказывает, что пока созданные микроорганизмы производят 28 мг пинена на 1 литр смеси, в которой идет культивация организмов, что намного ниже выхода, необходимого для коммерческой реализуемости процесса. Выход должен был бы быть в 26 раз больше, чтобы достигнуть уровня, при котором процесс стал бы промышленно приемлемым.

Пералта-Яхья с коллегами предположила, что причиной низкого выхода было то, что интермедиат – геранилдифосфат, связывается с другим участком фермента пиненсинтазы и ингибирует его. В попытке уменьшения ингибирования исследователи соединили ферменты вместе на одном гене. Два фермента объединили таким образом, что геранилдифосфат мог направляться непосредственно в активный центр пиненсинтазы, а не ингибировать фермент. Связанный ген увеличивал выход пинена до 32 мг/л, что само по себе является уже улучшением, но, тем не менее, выход все еще остается ниже поставленной цели.

Пералта-Яхья говорит, что по всей вероятности ингибирование по-прежнему является той основной помехой, которая влияет на низкий выход продукта, и, поэтому она планирует дальнейшее изучение ферментов, чтобы чтобы найти способ решить эту проблему.