Forskere har vist en ny teknologi, hvor biomanipulerede bakterier kan lave omkostningseffektive kemikalier/polymerer af vedvarende anlæg kilder
lignin er et materiale, som er en bestanddel af cellevæggen i alle planter på tørre land. Det er den anden mest udbredte naturlige polymer efter cellulose. Dette materiale er den eneste polymer, der findes i planter, og som ikke er sammensat af kulhydrat (sukker) monomerer. Lignocellulose biopolymerer giver form, stabilitet, styrke og stivhed til planter. Lignocellulosebiopolymerer består af tre hovedkomponenter: cellulose og hemicellulose danner en ramme, hvori lignin er inkorporeret som en slags forbindelse, der således størkner cellevæggen. Cellevægslignificering gør planterne modstandsdygtige over for vind og skadedyr og hjælper dem med at rådne. Lignin er en enorm, men meget underudnyttet vedvarende energiressource. Lignin, som repræsenterer op til 30 procent af lignocellulosebiomassen, er en uudnyttet skat – i hvert fald ud fra et kemisk synspunkt. Den kemiske industri er mest afhængig af kulstofforbindelser til fremstilling af forskellige produkter som maling, kunstige fibre, gødning og vigtigst af alt plast. Denne industri bruger nogle vedvarende ressourcer som vegetabilsk olie, stivelse, cellulose osv., men dette omfatter kun 13 procent af alle forbindelser.
Lignin, et lovende alternativ til petroleum til fremstilling af produkter
Faktisk er lignin den eneste kilde til vedvarende energi på jorden, der indeholder et stort antal aromatiske forbindelser. Dette er vigtigt, fordi aromatiske forbindelser generelt udvindes fra den ikke-fornybare kilde petroleum og derefter bruges til at producere plast, maling osv. Potentialet for lignin er således meget højt. I sammenligning med petroleum, som er et ikke-fornybart fossilt brændstof, er lignocelluloser afledt af træ, halm eller Miscanthus, som er vedvarende kilder. Lignin kan dyrkes på marker og i skove og er generelt neutrale over for klimaet. Lignocellulose er blevet betragtet som et seriøst alternativ til petroleum i de seneste årtier. Petroleum driver den kemiske industri i øjeblikket. Petroleum er et råmateriale til mange grundkemikalier, som derefter bruges til at fremstille nyttige produkter. Men petroleum er ikke-vedvarende kilde og er ved at svinde ind, derfor skal fokus være på at finde vedvarende kilder. Dette bringer lignin ind i billedet, da det ser ud til at være et meget lovende alternativ.
Lignin er fuld af høj energi, men at hente denne energi er kompliceret og en dyr proces, og dermed produceres endda biobrændstof, da slutresultatet generelt er meget høje omkostninger og ikke økonomisk kan erstatte "transportenergi", der er i brug i øjeblikket. Mange tilgange er blevet undersøgt for at udvikle omkostningseffektive måder at nedbryde lignin og omdanne det til værdifulde kemikalier. Men flere begrænsninger har begrænset omdannelsen af et berøringsplantemateriale som lignin til at blive brugt som en alternativ energikilde eller endda prøve at gøre det mere omkostningseffektivt. En nylig undersøgelse har med succes manipuleret bakterier (E. Coli) til at fungere som en effektiv og produktiv biokonverteringscellefabrik. Bakterier vokser og formerer sig meget hurtigt, og de er i stand til at modstå barske industrielle processer. Denne information blev kombineret med forståelse af naturligt tilgængelige lignin-nedbrydere. Værket blev udgivet i Proceedings of the National Academy of Science USA.
Holdet af forskere ledet af Dr. Seema Singh ved Sandia National Laboratories løste tre hovedproblemer, som man støder på ved at omdanne lignin til platformskemikalier. Den første store forhindring er det bakterier E. Coli producerer generelt ikke de enzymer, der er nødvendige for omdannelse. Forskere har en tendens til at løse dette problem med fremstilling af enzymer ved at tilføje en "inducer" til fermenteringsringen. Disse inducere er effektive, men er meget dyre og passer derfor ikke godt ind i konceptet med bioraffinaderier. Forskere prøvede et koncept, hvor en lignin-afledt forbindelse som vanilje blev brugt som et substrat såvel som en inducer ved at konstruere bakterier E coli. Dette ville omgå behovet for en dyr inducer. Selvom, som gruppen opdagede, var vanilje ikke et godt valg, især fordi når lignin nedbrydes, produceres vanilje i store mængder, og det begynder at hæmme funktionen af E. Coli, dvs. vanilje begynder at skabe toksicitet. Men dette virkede til deres fordel, da de konstruerede bakterier. I det nye scenarie bruges selve kemikaliet, der er giftigt for E. Coli, til at starte den komplekse proces med "ligninvalorisering". Når vanilje er til stede, aktiverer det enzymerne, og bakterier begynder at omdanne vanillin til katekol, som er det ønskede kemikalie. Desuden når mængden af vanillin aldrig det toksiske niveau, da det bliver autoreguleret i det nuværende system. Det tredje og sidste problem var effektiviteten. Konverteringssystemet var langsomt og passivt, så forskerne undersøgte mere effektive transportører fra andre bakterier og konstruerede dem til E. Coli, som derefter hurtigt sporede processen. At overvinde toksicitets- og effektivitetsproblemer med sådanne innovative løsninger kan hjælpe med at gøre produktionen af biobrændstof til en mere økonomisk proces. Og fjernelse af en ekstern inducer sammen med inkorporering af autoregulering kan yderligere optimere biobrændstoffremstillingsprocessen.
Det er veletableret, at når lignin er nedbrudt, har det evnen til at levere eller rettere "skænke" værdifulde platformkemikalier, som derefter kan omdannes til nylon, plast, lægemidler og andre vigtige produkter, som i øjeblikket er afledt af petroleum, en ikke -vedvarende energikilde. Denne undersøgelse er relevant som et skridt i retning af at forske og udvikle omkostningseffektive løsninger til biobrændstof og bioproduktion. Ved hjælp af bioingeniørteknologi kan vi producere større mængder platformskemikalier og flere andre nye slutprodukter, ikke kun med bakteriel E.Coli, men også med andre mikrobielle værter. Forfatternes fremtidige forskning skal fokusere på at påvise en økonomisk produktion af disse produkter. Denne forskning har en enorm indflydelse på energiproduktionsprocesser og udvidelsen af mulighederne for grønne produkter. Forfatterne bemærker, at lignocellulose i den nærmeste fremtid absolut bør supplere olie, hvis ikke erstatte det.
***
Kilde (r)
Wu W et al. 2018. Mod konstruktion af E. coli med et autoregulatorisk system til ligninvalorisering', Proceedings of National Academy of Sciences. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
***
 monomers.){kind=link}