دانشمندان فناوری جدیدی را نشان داده‌اند که در آن باکتری‌های مهندسی شده زیستی می‌توانند مواد شیمیایی/پلیمرهای مقرون‌به‌صرفه را از انرژی‌های تجدیدپذیر بسازند. گیاه منابع
لیگنین ماده ای است که تشکیل دهنده دیواره سلولی تمام گیاهان خشک است. این پلیمر پس از سلولز دومین پلیمر طبیعی فراوان است. این ماده تنها پلیمر موجود در گیاهان است که از کربوهیدرات تشکیل نشده است.قند) مونومرها بیوپلیمرهای لیگنوسلولز شکل، پایداری، استحکام و استحکام را برای گیاهان فراهم می کند. بیوپلیمرهای لیگنوسلولز از سه جزء اصلی تشکیل شده‌اند: سلولز و همی سلولز چارچوبی را تشکیل می‌دهند که در آن لیگنین به عنوان نوعی اتصال گنجانده شده است و در نتیجه دیواره سلولی را جامد می‌کند. لیگنیکاسیون دیواره سلولی گیاهان را در برابر باد و آفات مقاوم می کند و به پوسیدگی آنها کمک می کند. لیگنین یک منبع انرژی تجدید پذیر گسترده اما بسیار کم استفاده است. لیگنین که تا 30 درصد از زیست توده لیگنوسلولز را تشکیل می‌دهد، گنجینه‌ای است که استفاده نشده است - حداقل از دیدگاه شیمیایی. صنایع شیمیایی برای تولید محصولات مختلف مانند رنگ، الیاف مصنوعی، کود و از همه مهمتر پلاستیک، بیشتر به ترکیبات کربنی وابسته است. این صنعت از برخی منابع تجدیدپذیر مانند روغن نباتی، نشاسته، سلولز و غیره استفاده می کند اما این تنها 13 درصد از کل ترکیبات را شامل می شود.
لیگنین، یک جایگزین امیدوارکننده برای نفت برای ساخت محصولات
در واقع، لیگنین تنها منبع تجدیدپذیر روی زمین است که حاوی تعداد زیادی ترکیبات معطر است. این مهم است زیرا ترکیبات معطر به طور کلی از منابع تجدید ناپذیر نفت استخراج می شوند و سپس برای تولید استفاده می شوند. پلاستیکبنابراین، پتانسیل لیگنین بسیار بالا است. در مقایسه با نفت که یک سوخت فسیلی تجدید ناپذیر است، لیگنوسلولزها از چوب، کاه یا میسکانتوس که منابع تجدید پذیر هستند. لیگنین را می توان در مزارع و جنگل ها رشد داد و به طور کلی نسبت به آب و هوا خنثی است. لیگنوسلولزها به عنوان جایگزینی جدی برای نفت در چند دهه گذشته مورد توجه قرار گرفته اند. در حال حاضر نفت محرک صنعت شیمیایی است. نفت یک ماده خام برای بسیاری از مواد شیمیایی اساسی است که سپس برای تولید محصولات مفید استفاده می شود. اما نفت یک منبع تجدید ناپذیر است و در حال کاهش است، بنابراین باید تمرکز بر یافتن منابع تجدیدپذیر باشد. این لیگنین را به عنوان جایگزین بسیار امیدوارکننده ای به نظر می رسد.
لیگنین پر از انرژی بالا است، اما بازیابی این انرژی پیچیده و فرآیندی پرهزینه است و بنابراین حتی سوخت زیستی تولید شده به عنوان نتیجه نهایی عموماً هزینه بسیار بالایی دارد و نمی‌تواند به لحاظ اقتصادی جایگزین «انرژی حمل‌ونقل» در حال استفاده شود. روش‌های زیادی برای توسعه روش‌های مقرون به صرفه برای تجزیه لیگنین و تبدیل آن به مواد شیمیایی ارزشمند مورد تحقیق قرار گرفته‌اند. با این حال، چندین محدودیت، تبدیل مواد گیاهی لمسی مانند لیگنین را به استفاده به عنوان منبع انرژی جایگزین محدود کرده است یا حتی سعی در مقرون به صرفه‌تر کردن آن دارد. یک مطالعه اخیر با موفقیت باکتری (E. Coli) را به عنوان یک کارخانه سلولی تبدیل زیستی کارآمد و مولد مهندسی کرده است. باکتری خیلی سریع رشد می کنند و چندین برابر می شوند و قادر به مقاومت در برابر فرآیندهای سخت صنعتی هستند. این اطلاعات با درک تجزیه کننده های لیگنین به طور طبیعی در دسترس ترکیب شد. این اثر در نشریه منتشر شد مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا.
تیم محققان به رهبری دکتر سیما سینگ در آزمایشگاه ملی ساندیا سه مشکل اصلی را که در تبدیل لیگنین به مواد شیمیایی پلت فرم با آن مواجه می‌شوند، حل کردند. اولین مانع بزرگ این است باکتری E.Coli به طور کلی آنزیم های مورد نیاز برای تبدیل را تولید نمی کند. دانشمندان تمایل دارند این مشکل ساخت آنزیم ها را با افزودن یک "القاء کننده" به حلقه تخمیر حل کنند. این القا کننده ها موثر هستند اما بسیار گران هستند و بنابراین به خوبی در مفهوم پالایشگاه های زیستی قرار نمی گیرند. محققان مفهومی را امتحان کردند که در آن یک ترکیب مشتق از لیگنین مانند وانیل به عنوان یک بستر و همچنین یک القاء با مهندسی استفاده می شود. باکتری E.Coli. این امر نیاز به یک القاء کننده گران قیمت را دور می زند. اگرچه، همانطور که این گروه کشف کردند، وانیل انتخاب خوبی نبود، به خصوص زیرا وقتی لیگنین تجزیه می شود، وانیل در مقادیر زیادی تولید می شود و شروع به مهار عملکرد E.Coli می کند، یعنی وانیل شروع به ایجاد سمیت می کند. اما زمانی که آنها را مهندسی کردند این به نفع آنها عمل کرد باکتری. در سناریوی جدید، همان ماده شیمیایی که برای E.Coli سمی است برای شروع فرآیند پیچیده "ارزیابی لیگنین" استفاده می شود. هنگامی که وانیل وجود دارد، آنزیم ها را فعال می کند و باکتری ها شروع به تبدیل وانیلین به کاتکول می کنند که ماده شیمیایی مورد نظر است. همچنین، مقدار وانیلین هرگز به سطح سمی نمی رسد زیرا در سیستم فعلی تنظیم می شود. سومین و آخرین مشکل کارایی بود. سیستم تبدیل آهسته و غیرفعال بود، بنابراین محققان به دنبال انتقال‌دهنده‌های موثرتر از باکتری‌های دیگر بودند و آنها را در E.Coli مهندسی کردند که سپس به سرعت این فرآیند را دنبال کرد. غلبه بر مشکلات سمیت و کارایی با چنین راه حل های نوآورانه ای می تواند به تولید سوخت زیستی به یک فرآیند اقتصادی تر کمک کند. و حذف یک القا کننده خارجی همراه با ادغام تنظیم خودکار می تواند فرآیند ساخت سوخت زیستی را بیشتر بهینه کند.
به خوبی ثابت شده است که هنگامی که لیگنین تجزیه می شود، این توانایی را دارد که مواد شیمیایی با ارزش پلت فرمی را فراهم کند یا بهتر بگوییم «به آنها اعطا کند» که می توانند به نایلون، پلاستیک، داروها و سایر محصولات مهم دیگر که در حال حاضر از نفت مشتق می شوند، تبدیل شوند. -منبع انرژی تجدید پذیر این مطالعه به عنوان گامی در جهت تحقیق و توسعه راه حل های مقرون به صرفه برای سوخت زیستی و تولید زیستی مرتبط است. با استفاده از فناوری مهندسی زیستی، ما می‌توانیم مقادیر بیشتری از مواد شیمیایی پلت فرم و چندین محصول نهایی جدید دیگر، نه تنها با باکتری E.Coli بلکه با میزبان‌های میکروبی دیگر تولید کنیم. تحقیقات آینده نویسندگان باید بر نشان دادن تولید اقتصادی این محصولات متمرکز شود. این تحقیق تأثیر زیادی بر فرآیندهای تولید انرژی و گسترش دامنه امکانات برای محصولات سبز دارد. نویسندگان خاطرنشان می کنند که در آینده نزدیک لیگنوسلولز اگر جایگزین نفت نشود، قطعاً باید مکمل نفت باشد.
***
{شما می‌توانید مقاله پژوهشی اصلی را با کلیک بر روی پیوند DOI که در فهرست منابع ذکر شده در زیر آمده است بخوانید}
منبع (ها)
Wu W و همکاران 2018. به سمت مهندسی E. coli با یک سیستم خودتنظیمی برای ارزش گذاری لیگنین، مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
