Метаболический техники нового поколения биотоплива

Инженеры прибегают к генетическим и биологическим средств и методов для синтеза высших спиртов цепи, которые не страдают от тех же ограничений, как этиловый спирт.

Как цены на нефть усилится и давление по сокращению выбросов парниковых газов монтирует, поиск альтернативных источников энергии продолжают ускоряться.

Министерством энергетики США поставила перед собой задачу, чтобы заменить 30% бензина нации с возобновляемых видов топлива к 2030 году (I). Без существенного изменения существующей инфраструктуры транспорта, жидкое биотопливо является наиболее правдоподобным решения в ближайшем будущем. Совещание 30% целевой замена бензина потребуется примерно 60 миллиардов галлонов жидкого биотоплива, которые будут выведены из примерно 1 млрд тонн биомассы, получаемой на около 75 миллионов акров земли (2). Хотя существуют возможности для улучшения урожайности основных предположений, эти оценки свидетельствуют о необходимости технологических инноваций во всех сферах биотоплива.

Этанол является доминирующим биотоплива сегодня, но это не идеальное топливо в долгосрочной перспективе. Из-за высокого содержания кислорода (2:01 углерода с кислородом соотношении), его плотность энергии составляет около двух третей бензина. Этанол полностью смешивается с водой и высокой гигроскопичностью, что делает топливного этанола коррозии. В результате, этанола, биотоплива не могут быть использованы в обычных автомобилях, если топливная система будет изменена. Так называемых гибких топливе (FFVs) имеют изменение степени сжатия и более холодные свечи пригодны для более высокой температуры пламени, а также их частей, которые вступают в контакт с этанола из коррозионно-стойких материалов (3). Потому что это агрессивный, этанол не могут храниться и транспортироваться в существующих резервуаров и трубопроводов для нефтяной, полученных топлива и строительство новых трубопроводов для распределения этанола топлива обходится дорого. Высокого давления паров этанола, что затрудняет для удовлетворения стандартов качества воздуха, так что особые усилия должны быть сделаны, чтобы снизить давление паров бензина этанолом смеси.

Борьба за новые земли, продовольствия или топлива дилемму, а общая энергия и призываем углеродного баланса по урожайности улучшений на каждом шагу в производственной цепочке.

Метаболической инженерии (или синтетической биологии) может играть центральную роль в развитии производства биотоплива на основе высших спиртов. В этой статье объясняется, что такое metabollic инженерии, излагаются три стратегии использования его для производства спирта longerchain на топливо, а также рассматриваются некоторые будущие проблемы в этой области.

Метаболической инженерии

Метаболический инженерной области, которая объединяет в генной инженерии, физиологии и инженерных систем. Она направлена на проектирование и строительство организмов для производства желаемый продукт генной инженерии метаболические сети организма и его функций регулирования в целенаправленно. Связанный термин синтетической биологии также используется для описания такой деятельности. Грубо говоря, метаболической инженерии мест больше внимания на то, что производится в клетке, в то время как синтетическая биология основное внимание на поведение клеток.

Чтобы понять, метаболической инженерии, важно знать, что каждый реакции в клетке катализируется ферментом. Это концентрация фермента может быть увеличена или уменьшена путем изменения или количество копий гена, который synthsizes фермента или скорость, с которой ген превращается фермента. Если конкретная реакция считается контрпродуктивным, ген, который кодирует фермент для его катализатора может быть удалена или прерван процесс, известный как генный нокаут.

Эти изменения очевидны в принципе, но они могут представлять технические проблемы на практике. Во многих случаях реакция катализируется более чем на один фермент, или особый фермент может катализировать несколько реакций, которые придерживаются одинаковых механизмов химических веществ. Ферментативная активность и специфичность может быть улучшена путем изменения остатков аминокислот кислоты в белок, изменяя соответствующие последовательности ДНК белка. Это изменение также представляет значительную проблему, и в значительной мере опирается на направленной эволюции (4), которая включает случайные мутации затем эффективного отбора или отбора. Эти средства и методы позволяют метаболических инженер изменять пути реакций с высокой степенью достоверности.

Хотя метаболических сетей были изучены в течение многих десятилетий, Есть довольно много деталей, которые остаются неизвестными, однако они имеют важное значение для производства биотоплива. В отличие от фармацевтического производства, успех, производство биотоплива является в значительной степени определяется выход топлива, который производится и его производительность (удельная скорость производства, например, объем производства, деленная на сухой вес ячейку в единицу времени, г / GH). Побочные образования, неэффективное использование источников углерода, а также избыточное производство клеточной массы всех снижения урожайности и продуктивности.

Это основная задача, чтобы сбалансировать основных потребностей клетки для выживания и роста при сохранении эффективного производства целевого продукта. Кроме того, тенденция клетки либо к сокращению или ликвидации вредных продуктов, в пользу собственного выживания и роста, часто сводят на нет или уменьшения воздействия метаболической инженерии. Хотя эти прекрасные контроля жестко соединены генома, они все еще слабо изучен.

Метаболической инженерии необходимо решить проблемы токсичности биотоплива и эффективно отключить или обойти адаптации клетки механизмов. Так как биотопливо, как правило, токсическое воздействие на клетки, накоплению этих соединений в среде приводит сотовой стресс, который способствует накоплению мутаций, которые являются менее производительными, чем клетки, которые не подвергаются биотоплива.

Метаболической инженерии высших спиртов

Топлива, которые содержат больше угля, чем этанол (т. е. более чем 2) можно обойти или облегчить многие из проблем, связанных с этанолом. Эти соединения имеют более высокую плотность энергии, снижение давления пара, и не агрессивный.

Тем не менее, за исключением н-бутанол, который производится различными видами бактерий Clostridium (5, 6), выше цепи качества топлива соединения не производятся биологически в достаточно больших количествах топлива приложений. Clostridium был использован для производства ацетона и н-бутанол с момента его открытия Хаим Вейцман в 1916 году. Это был реальный способ промышленного производства до появления более эффективные маршруты нефтехимическая.

Другие соединения высших углеродной цепочки, либо производятся только в ничтожно малых количествах в ферментации или не производятся биологически вообще. Таким образом, W-бутанол был единственным соединением, которое потенциально может заменить этиловый спирт - до метаболической инженерии для расширенного производства топлива стала реальностью.

Для получения более высокого цепи спиртов биологически, по крайней мере три возможных стратегии:

1. Первая стратегия генетически изменяет родной производству алкоголя организм (то есть, организм, естественно, дает желаемого спирта), такие как Clostridium, улучшить свое производство высших спиртов. Эта стратегия имеет преимущество в том, что организм уже путь необходимые для получения желаемого алкоголя, но он страдает от ограниченного ассортимента продукции (только-бутанол) и менее известных, более сложным и физиологической регуляции генетических систем.

Эта стратегия была практиковали на протяжении многих лет, и традиционный подход, используемый многими группами. Производство бутанол повышается за счет отбора для эволюционировали штаммов Clostridium и оптимизации производственного процесса. Некоторые штаммы Clostridium может переварить целлюлозы и используют его в качестве единственного источника углерода, а несколько из них штаммы могут даже расти при повышенных температурах, которые способствуют деградации целлюлозы. Однако, эти целлюлозно-унижающие штаммов не производят бутанол.

Следующей задачей для инженеров метаболических пытается следовать этой стратегии состоит в разработке эффективных инструментов для генетических изменения генов в этих организмов. Такой прогресс будет способствовать исследование регуляции метаболизма и в конечном итоге изменение гена в этих организмов.

2. Вторая стратегия передает путь к родной не родной, но хорошо изучены организма, например, бактерии кишечной палочки или дрожжей Sacchanmiyces cerevisiae. Это позволяет избежать проблемы неохарактеризованной генетических систем и физиологической регуляции, но он по-прежнему ограничивается существующих путей и продуктов, которые являются родными для организма.

Эта стратегия предусматривает имплантации Clostridium-бутанол способа производства в удобной организма, таких как кишечная палочка, для достижения хорошо контролируемой продукции. Поскольку кишечная палочка понимают и генетических инструменты для ее модификации фикации были разработаны, организм хозяина, могут быть полностью оптимизирован для поддержки производства требуемого соединения. Кроме того, кишечной палочки быстро растет и не чувствительных к кислороду - атрибуты, которые способствуют развитию деформации значительно.

Передача Clostridium-бутанол путь к кишечной палочки требуется клонирование и экспрессия нескольких генов Clostridium в E.coli. Поскольку геном acetobutylicum Clostridium было последовательности, гены интерес могут быть клонированы с использованием общего метода, известного как полимеразная цепная реакция (ПЦР). Функциональные экспрессии этих генов (например, синтез активных ферментов в зависимости от последовательности генов) несколько сложно, так как выражение и деятельности этих генов не может быть оптимальной в организмах, в которых они обычно не встречаются в природе. Кроме того, активность ферментов в неместных пути должны быть сбалансированы, так как накопление промежуточных или осушение кофакторов могут быть токсичными для клеток.

Наконец, в идеале хотелось бы, чтобы устранить из организма каких-либо конкурирующих каналов, по которым сокращение целевого продукта. Это достигается путем удаления генов, которые приводят к синтезу ферментов, которые используют те же прекурсоров, которые используются для производства спирта. Первоначальный успех в этом направлении был сделан, где выход целевого продукта был увеличен с исключением целевых генов.

3. Третья стратегия для получения высшего цепи спиртов определяются целевые идеальный продукт не только по своей природе, создает роман метаболические сети, и осуществляет ее в удобном для пользователя организмов. Это дает возможность реорганизации метаболических сетей на основе идеального дизайна, но его успех могут быть ограничены естественным образом жизни организма.

Эта стратегия предусматривает строительство новых путей желаемого продукта. Родной-бутанол способа производства, используемые в Clostridium начинается с ацетил-кофермент А и включает в себя несколько коэнзим?-Опосредованной реакции. Эти неродном реакции могут привести к нарушению метаболического равновесия в войске.

Другим потенциально полезным путь для синтеза спирта является прямым декарбоксилирования кетокислот. Это химия была известна с 1907 года, и является основой для объяснения наличия следовых количеств C4 и C5 спиртов в бульон брожения в вино и пиво производства. Тем не менее, не родной организмов производства этих веществ из возобновляемых источников в достаточно больших количествах, чтобы быть рассмотрены для использования в качестве биотоплива.

Разработка путей кетокислот

Таким образом, желательно разработать пути, которые непосредственно синтезировать C4 и C5 спиртов из возобновляемых источников. К счастью, непосредственных прекурсоров из этих высших спиртов кетокислот, которые являются промежуточными продуктами биосинтеза аминокислот пути кислоты.

Аминокислоты были изготовлены из сахара для использования в качестве корма для животных и пищевых добавок. Биохимии и регулирования биосинтеза аминокислот кислоты первый модельных системах, что была заложена основа для молекулярной биологии. Кроме того, промышленные процессы, для производства этих соединений, имеющихся в продаже в течение многих десятилетий, и они являются одними из крупнейших и наиболее успешных промышленных процессов биотехнологии.

Если кетокислот промежуточными продуктами биосинтеза аминокислот пути кислоты могут быть преобразованы в соответствующие спирты, метаболические инженер мог бы воспользоваться успешного пути биосинтеза аминокислот кислоты и отвлечь промежуточные для производства спиртов. С помощью этой стратегии, разнообразие топлива класса спиртов можно производить, например, н-пропанол, изобутиловый-бутанол, 2-метил-1-бутанол. и 3-метил-1-бутанола (рис. 1). Следует отметить, что многие из этих высших спиртов разветвленными цепями, которые имеют более высокого октанового числа, чем их прямой цепью изомеров.

Для синтеза этих соединений, необходимо сначала определить соответствующие кетокислот и ферменты, которые катализируют синтез эффективно. Например, как показано на рисунке 1, изобутиловый может быть получена из соответствующей кислоты кето. 2-кето-isovalerate. использованием декарбоксилазы кетокислот (KDC) и алкогольдегидрогеназы (ADH), которые оба признают несколько субстратов. Многие ферментов у разных организмов может выполнять эту реакцию, но с низким уровнем деятельности. Задача состоит в том, чтобы определить или инженер высокой активности комбинации этих ферментов. После ферментов определены, их гены вводятся в принимающей либо самовоспроизводящихся плазмиды или прямой интеграции генов в хромосомы организма.

Далее, необходимо произвести прекурсоров кетокислот. e.g., 2-ketoisovalerate. из возобновляемых углеводов. Это кетокислот является промежуточным продуктом при производстве аминокислоты валина. Задача состоит в том, чтобы отвлечь промежуточной полностью на производство спиртов с минимальным образованием побочного продукта. Хотя аминокислот пути кислоты, хорошо изучены, что отвлекает от среднего до алкоголя синтез открывает новые вызовы.

Аминокислоты производства, как правило, аэробный процесс, который имеет более благоприятные кинетики, но может привести к избыточной сырой материальный ущерб двуокиси углерода. Эффективное производство спирта требует минимальной потерей углерода СО2. Таким образом, анаэробный процесс является предпочтительным, что снижает СО2 поколения, но это медленный процесс. Правильный баланс между скоростью и преобразования выход должен быть найден. С регуляции метаболизма в клетках Е. хорошо понимал, дизайн этих идеальных штаммов возможно. В самом деле, большого объема выход изобутиловый в E.coli сообщалось (7).

Задачи на будущее

Благодаря быстро развивающейся геномной информации, методы молекулярной биологии, а также высокой пропускной инструменты, метаболический инженеры добились значительного прогресса в построении неаборигенных организмов для производства fuelgrade соединений выходит за рамки того, что родной организмы эволюционировали производить. Высокоэффективного производства высших спиртов уже было достигнуто.

Производство алканов - таких, как комплекс алканов, которые являются основной компонент бензина - от сахара в настоящее время разрабатывается. Эти соединения могут заменить нефть напрямую.

Как уже упоминалось, токсичность топлива на организм остается серьезной проблемой, и несколько методов, которые были разработаны для увеличения организмов топлива терпимости (8-10). Кроме того, производство составов с более чем 6 углей, которые являются менее растворимые в воде может облегчить токсичности проблемы. Эти менее растворимые соединения могут также сократить разделения затрат.

Для того чтобы воспользоваться целлюлозной биомассы, штаммы, преобразовывать любой из 6 - и 5-углеродные сахара для производства высших спиртов и алканов должны быть разработаны. В конечном счете, "производство 1-банк" биотоплива (как правило, называют сводный биопереработки) непосредственно из целлюлозной биомассы могут быть достигнуты. Чтобы сделать это, штаммы, переваривать целлюлозу в настоящее время разработаны для производства высших спиртов и алканов и чужеродных организмов в настоящее время используется для производства целлюлозно-ферментов.

С деградации целлюлозы включает в себя несколько ферментов и ферментных комплексов, внеклеточной экспрессии этих ферментов в чужеродных организмов является сложной задачей. Тем не менее, быстрый прогресс в молекулярной инструменты, а также метаболических понимание техники, штаммы, которые производят следующего поколения биотоплива из целлюлозных материалов, скорее всего, будут разработаны в ближайшем будущем.

ЛИТЕРАТУРА

1. США департамента энергетики, "Breaking биологические барьеры для целлюлозного этанола: Совместные программы научных исследований". Семинар под эгидой У. С. МЭ. DOE/SC-0095 (июнь 2006).

2. Службы РФ ", целлюлозного этанола. Биотоплива Исследователи Подготовка к Рип нового урожая," Наука. 315 (5818). с. 1488-1491 (16 марта 2007).

3. Национальная лаборатория возобновляемой энергии ", гибкие корабли топлива: предоставление возобновляемой Выбор топлива," фактов ". DOE/GO- 102008-2595, NREL, Золотой, CO (2008).

4. Блум, JD, и др.. ", Разработке стратегий для инженерной энзимологии," Текущий мнение по структурной биологии, 15 (4), с. 447-452 (август 2005).

5. Лин, Я.Л., HP Blaschek ", бутанола Постановка бутанола-толерантных Штамм Clostridium acetobutylicum в экструдированного кукурузы Бульон," Прикладная Enviivnmental Микробиология, 45 (3), с. 966-973 (март 1983).

6. Джонс, DT и DR лесу ", ацетон-бутанол брожения Revisited", Микробиологические Обзоры, 50 (4). с. 484-524 (декабрь 1986).

7. Atsumi, С. и др. /., "Non-Ферментативная Подготовка для синтеза разветвленных высших спиртов в качестве биотоплива". Природа, 451 (7174), с. 86-89 (3 января 2008).

8. Инграм, LO и др.., "Алкоголь толерантности в кишечной палочки, фармакологии, биохимии и Beliax'ior, 13 (Дополнение 1). Стр. 191-195 (1980).

9. Томас, CA и др.. ", Сверхэкспрессия groESL в Clostridium acetobutylicum приводит к увеличению производства растворителей и терпимости, длительное обмена веществ, а также изменений в транскрипции программы Cell," Прикладная и экологической микробиологии. 69 (8), с. 4951-4965 (август 2003).

10. Альпер, Х. и Г. Стефанопулос, "Глобальная Engineering Machinery Транскрипция: новый подход для совершенствования сотовой фенотипа", метаболической инженерии, 9 (3), с. 258-267 (май 2007).

ДЖЕЙМС C. LIAO

Венди HIGASHIDE

Университет Калифорния, Лос-Анджелес

ДЖЕЙМС C. LIAO настоящее время является профессором канцлера химической и биомолекулярных инженерии в Univ. Калифорнии в Лос-Анджелесе (<a href="mailto:liaoj@seas.ucla.edu"> liaoj@seas.ucla.edu </ A>), где его работа была сосредоточена на метаболической инженерии и системной биологии. Он получил степень бакалавра наук в области химического машиностроения Национальной Тайвань Univ. и степень доктора философии от Univ. Висконсин-Мэдисон. Ляо получил множество наград, включая премию Merck в метаболической инженерии (2006), Айше пищевой, фармацевтической и биоинженерии Div. Премии (2006) и премии Карл-Торн Общества промышленной микробиологии (2008). Он также был удостоен в 2006 году WN Лейси лекторов в Калифорнийском технологическом институте и в 2007 году Трой C. Троттер Заслуженный преподаватель инженерного колледжа в Univ. Теннесси, Ноксвилл. Член Айше, он входит в состав Попечительского совета Общества по биологической инженерии (SBE).

Венди HIGASHIDE является докторской сотрудник в лаборатории Ляо в Univ. Калифорнии в Лос-Анджелесе. Она имеет степень бакалавра в области биологии из Univ. Гавайи в Маноа (Гонолулу, Гавайи) и докторскую степень в области микробиологии Пердью Univ.