Το E. coli αναλαμβάνει τα βιοκαύσιμα
Το πετρέλαιο αποτελεί την κύρια πηγή ενέργειας σε όλο τον κόσμο. Η υπερβολική κατανάλωση αυτού του πόρου λόγω της συνεχούς αύξησης του παγκόσμιου πληθυσμού έχει οδηγήσει στην εξάντληση των αποθεμάτων πετρελαίου, η οποία συμπίπτει με τις αυξανόμενες επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής λόγω της έκλυσης εκπομπών αερίων θερμοκηπίου (Στεφανόπουλος, 2007).
Μια πιθανή λύση σε αυτά τα προβλήματα βρίσκεται στα βιοκαύσιμα, εναλλακτικές πηγές βιώσιμης ενέργειας που μπορούν να παραχθούν από φυτά όπως το καλαμπόκι, η λεύκα και το γρασίδι.
Το πρώτο σημαντικό εναλλακτικό βιοκαύσιμο που χρησιμοποιήθηκε σε κινητήρες ήταν η βιοαιθανόλη, κοινώς γνωστή ως αιθανόλη, στις αρχές της δεκαετίας του 1990, η οποία αναμειγνύεται με βενζίνη για να δημιουργήσει 10% αιθανόλη και 90% βενζίνη E10 καύσιμο. Άλλα μείγματα περιλαμβάνουν το E15, το οποίο περιλαμβάνει έως και 15% αιθανόλη, και το E85, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οχήματα με ευέλικτα καύσιμα. Σήμερα, περισσότερο από το 98% του καυσίμου που χρησιμοποιείται στις Ηνωμένες Πολιτείες είναι καύσιμο ανάμειξης E10, καθιστώντας αυτό μια κοινή και βολική εναλλακτική λύση καυσίμου.
Ωστόσο, αυτό δεν είναι το πιο αποδοτικό διαθέσιμο ανανεώσιμο καύσιμο. Ενώ η αιθανόλη έχει προσφέρει ένα σταθερό σημείο εκκίνησης για την προτεραιότητα χρήσης βιοκαυσίμων, αυτό το συγκεκριμένο βιοκαύσιμο έχει εγγενείς προκλήσεις που περιορίζουν την περαιτέρω επέκταση στην οικονομία καυσίμου, συμπεριλαμβανομένης της χαμηλής ποσότητας αποθηκευμένης ενέργειας και διαβρωτικών επιπτώσεων που οδηγούν σε ρωγμές στον χάλυβα που χρησιμοποιείται για την κατασκευή εξαρτημάτων κινητήρα (Clemente, 2015).
Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές προσπάθησαν να βελτιστοποιήσουν πιο αποτελεσματικά εναλλακτικά βιοκαύσιμα χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική στα κοινά βακτήρια Escherichia coli . Για τους περισσότερους από εμάς, E. coli αναφέρεται μόνο σε ειδήσεις για μόλυνση τροφίμων. Στον κόσμο της γενετικής μηχανικής, το E. coli είναι ένας πολύτιμος οικοδεσπότης φιλικός προς τον χρήστη με γνωστό αυξητικό μεταβολισμό και το μεγαλύτερο σύνολο εργαλείων γενετικής μηχανικής που διατίθενται. Πολλοί άνθρωποι μπορεί να εκπλαγούν όταν μάθουν ότι αυτό το βακτήριο έχει μελετηθεί εκτενώς για ρύθμιση και έκφραση γονιδίων, και έχει χρησιμεύσει ως πηγή πολύτιμων ουσιών για ανθρώπινη χρήση, όπως η παραγωγή ινσουλίνης για τη θεραπεία του διαβήτη. Escherichia coli είναι σε θέση να καταναλώνει διάφορα σάκχαρα, επιτρέποντας ευέλικτες συνθήκες ανάπτυξης τόσο σε εργαστηριακή όσο και σε βιομηχανική κλίμακα, καθιστώντας το E. coli ο οργανισμός επιλογής για τη γενετική μηχανική.
Η πρόοδος της γενετικής μηχανικής έδωσε τη δυνατότητα στους γενετιστές να τροποποιήσουν γονίδια για να παράγουν περισσότερο ή λιγότερο ένα συγκεκριμένο δυνητικό βιοκαύσιμο, όπως η ισοπροπανόλη. Αυτές οι τροποποιήσεις αλλάζουν τη γενετική σύνθεση του οργανισμού εισάγοντας ένα νέο γονίδιο ή τροποποιώντας ένα υπάρχον. Αυτό μπορεί να γίνει αλλάζοντας ένα ζεύγος βάσεων DNA (αδενίνη-θυμίνη/γουανίνη-κυτοσίνη), διαγράφοντας ένα ολόκληρο γονίδιο ή εισάγοντας πολλαπλά γονίδια. Εργαλεία που επιτρέπουν στους βιολογικούς μηχανικούς να μεταφέρουν ολόκληρες μεταβολικές οδούς από τον έναν οργανισμό στον άλλο έχουν αναπτυχθεί, επιτρέποντας στους επιστήμονες να εργαστούν με οργανισμούς που κατασκευάζονται πιο εύκολα σε εργαστήριο. Αυτά τα εργαλεία είναι γενικά διαθέσιμα για χρήση σε οργανισμούς όπως ιοί και βακτήρια, και η μεταφορά ενός γονιδίου ή μιας αλληλουχίας γονιδίων σε διαφορετικό οργανισμό επιτρέπει σε αυτόν τον οργανισμό να παράγει ένα μόριο ενδιαφέροντος, όπως η ισοπροπανόλη.
Η ακετόνη και η ισοπροπανόλη είναι βιώσιμα, φθηνά, έχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και έχουν δοκιμαστεί ως εναλλακτικά καύσιμα. Αυτά τα βιοκαύσιμα είναι ήδη συμβατά με υπάρχοντες κινητήρες (Poh &Poh, 2017) και η ισοπροπανόλη έχει υψηλότερη ικανότητα ανάμειξης από την αιθανόλη με λιγότερα διαβρωτικά αποτελέσματα. Ακριβώς όπως η ισοπροπανόλη, η ακετόνη έχει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και ικανότητα ανάμειξης σε σύγκριση με την αιθανόλη και είναι επίσης λιγότερο διαβρωτική για τους κινητήρες. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά σημαίνουν ότι τόσο η ισοπροπανόλη όσο και η ακετόνη έχουν τη δυνατότητα να συμπληρώσουν ή να αντικαταστήσουν την αιθανόλη στην αγορά βιοκαυσίμων και τα δύο αυτά παράγονται φυσικά από ένα βακτήριο που ονομάζεται Clostridium acetobutylicum.
Clostridium acetobutylicum παράγει ισοπροπανόλη και ακετόνη μέσω μιας ενιαίας μεταβολικής οδού, που σημαίνει ότι αυτός ο οργανισμός παράγει και τα δύο πιθανά βιοκαύσιμα χρησιμοποιώντας την ίδια αλληλουχία γονιδίων. Η ακετόνη παράγεται ως το κύριο προϊόν αυτής της γονιδιακής οδού και η ισοπροπανόλη λαμβάνεται από την ακετόνη ως παραπροϊόν. Το μονοπάτι δεν έχει σχεδιαστεί για να μεγιστοποιεί την παραγωγή αυτών των δύο μορίων, αλλά μπορεί να σχεδιαστεί για να το κάνει. Δυστυχώς, εργαλεία γενετικής μηχανικής που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με C. acetobutylicum είναι περιορισμένες και αρκετές άλλες βιοχημικές οδοί πρέπει να ανασταλούν για να βελτιστοποιηθούν οι αποδόσεις βιοκαυσίμων (Toogood &Scrutton, 2018).
Ευτυχώς, η οδός ακετόνης του C. acetobutylicum μπορεί να μεταφερθεί στο E. coli , που οδηγεί στην παραγωγή ακετόνης και ισοπροπανόλης χωρίς τους περιορισμούς του C. ακετοβουτυλικό. Οι γενετικοί μηχανικοί μπορούν να «υπερεκφράζουν» τα γονίδια που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ακετόνης και ισοπροπανόλης στο E. coli , που σημαίνει ότι αυτά τα γονίδια μπορούν να ωθηθούν σε υπερκίνηση για να παράγουν πολύ μεγαλύτερες ποσότητες ισοπροπανόλης και ακετόνης για πιθανή χρήση βιοκαυσίμων (Atsumi &Liao, 2008; Koppolu &Vasigala, 2016).
Η πρόοδος στη γενετική μηχανική επέτρεψε στους επιστήμονες να μελετήσουν και να βελτιώσουν τις φυσικές μεταβολικές οδούς ενός οργανισμού για να παράγουν ενώσεις τις οποίες οι άνθρωποι μπορούν στη συνέχεια να παράγουν μαζικά για οφέλη για την υγεία, την ενέργεια και τα τρόφιμα. Η ικανότητα μεταφοράς μιας ολόκληρης μεταβολικής οδού από το C. acetobutylicum στο E. coli μπορεί να οδηγήσει σε εμπορικά βιώσιμες εφαρμογές των φυσικών ικανοτήτων ενός οργανισμού να παράγει αποδοτικά, υψηλής ποιότητας βιοκαύσιμα που μπορούν να βελτιώσουν ή να αντικαταστήσουν τα παραδοσιακά καύσιμα, ανακουφίζοντας έτσι τα αναδυόμενα προβλήματα εφοδιασμού και τα περιβαλλοντικά προβλήματα που σχετίζονται με την αιθανόλη. Εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις με τις βελτιστοποιήσεις του κινητήρα και του μείγματος καυσίμου για τη μείωση των εκπομπών και τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης, αλλά τα τρέχοντα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά στην αποστολή μας να μειώσουμε την εξάρτησή μας από το πετρέλαιο.
Αυτά τα ευρήματα βασίζονται στην εργασία που διεξήγαγε η Jessica Velez από το Bredesen Center for Interdisciplinary Studies στο Πανεπιστήμιο του Tennessee, Knoxville, ο Angel Fernando Cisneros Caballero από το Institute of Integrative and Systems Biology στο Πανεπιστήμιο Laval και ο Narjes Alfuraiji από το Division of Immunity. Λοιμώξεις και Αναπνευστική Ιατρική στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ.
Αναφορές:
- Στεφανόπουλος Γ., (2007). Προκλήσεις στα μηχανικά μικρόβια για την παραγωγή βιοκαυσίμων, Επιστήμη , 315 (5813), 801–804.
- Clemente, J. Γιατί τα βιοκαύσιμα δεν μπορούν να αντικαταστήσουν το λάδι. Forbes. 2015. https://www.forbes.com/sites/judeclemente/2015/06/17/why-biofuels-cant-replace-oil/#467b62f6f60f
- Poh, C., &Poh, C., (2017). Η ισοπροπανόλη ως καύσιμο για μικρά μη επανδρωμένα αεροσκάφη, Πρόοδος στην Αεροδιαστημική Επιστήμη και Τεχνολογία , 2 , 23-30.
- Atsumi, S., &Liao, J., (2008). Μεταβολική μηχανική για προηγμένη παραγωγή βιοκαυσίμων από Escherichia coli , Τρέχουσα γνώμη στη Βιοτεχνολογία
- , 19 (5), 414-419.
- Koppolu, V., &Vasigala, V., (2016). Ο ρόλος της Escherichia coli στην παραγωγή βιοκαυσίμων, Microbiology Insights , 9 , 29-35.
- Toogood, H., &Scrutton, N., (2018). Ανακατασκευή μικροοργανισμών για τη ζυμωτική παραγωγή αλκοολών, Τρέχουσα γνώμη στη Βιοτεχνολογία , 50 , 1-10.
