Bakterien machen bessere Alkoholtreibstoffe

Durch das Engineering des Stoffwechselprozesses des Common E coli Bakterien haben Forscher der University of California in Los Angeles (UCLA) den Mikroorganismus dazu gebracht, nützliche langkettige Alkohole herzustellen, die das Potenzial als neue Biokraftstoffe haben. Die von Bakterien produzierten Biokraftstoffe haben zwischen fünf und acht Kohlenstoffatome im Vergleich zu Ethanol, das zwei Kohlenstoffatome hat.

Proteinschub: In E. coli-Bakterien eingefügte Gene codieren Proteine ​​(band- und schnurförmige Strukturen), die einen Aminosäurevorläufer (grünes und rotes Molekül) in Alkohole umwandeln, die als Biokraftstoffe verwendet werden könnten.

Die höhere Anzahl an Kohlenstoffatomen gibt den Biokraftstoffen pro Gallone so viel Energie wie Benzin; Im Vergleich dazu hat Ethanol 30 Prozent weniger Energie als Benzin. Und im Gegensatz zu Ethanol sind die neuen Biokraftstoffe mit der heutigen Benzininfrastruktur kompatibel, sagt James Liao , ein Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der UCLA, der die Forschung leitete. Da die langkettigen Alkohole Wasser nicht so leicht aufnehmen wie Ethanol, könnten sie in bestehenden Erdölpipelines durch das Land transportiert werden.

Die längerkettigen Alkohole haben auch einen Vorteil gegenüber Butanol, einem anderen alkoholbasierten Biokraftstoff, sagt Liao. Die langkettigen Alkohole trennen sich viel leichter von Wasser als Butanol, sodass sie keine energieintensive Destillation benötigen. Viele Unternehmen, darunter DuPont und BP, versuchen, ein Verfahren zur Herstellung des Vier-Kohlenstoff-Alkohols Butanol unter Verwendung von Mikroben zu kommerzialisieren. Liaos Gruppe hat auch Bugs entwickelt, die Butanol erzeugen, und ihre Technologie wurde vom Startup Gevo in Pasadena, Kalifornien, lizenziert.

Liao und seine Kollegen verwenden synthetische Biologie-Werkzeuge, um am Aminosäurestoffwechsel von . herumzubasteln E coli . Alle Organismen produzieren eine große Anzahl von Aminosäuren, die die Bausteine ​​​​von Proteinen sind. Die Forscher bauen diesen Stoffwechselweg so um, dass aus den Vorläuferverbindungen, die normalerweise in Aminosäuren umgewandelt würden, gegen Ende langkettige Alkohole werden.

Dazu fügen die Forscher Gene in die Bakterien ein, die sie dazu bringen, unnatürlich lange Aminosäurevorläufermoleküle mit mehr als sechs Kohlenstoffatomen zu produzieren. Sie bauen auch zwei Gene – eines von einer Hefeart, eines von einem Käse herstellenden Bakterium – in die Mikrobe ein. Diese modifizierten Gene produzieren zwei neue Proteine, die die Vorläufer in Alkohole mit fünf bis acht Kohlenstoffatomen umwandeln können.

Die Startups LS9 und Amyris Biotechnologies entwickeln bereits Mikroben um, um Kohlenwasserstoffkraftstoffe herzustellen. Beide planen, bis 2010 mit der kommerziellen Produktion ihrer Kraftstoffe zu beginnen.

Wie bei der neuen Arbeit verwenden sowohl LS9 als auch Amyris synthetische Biologie, indem sie die Stoffwechselsysteme von Mikroben neu verdrahten, indem sie Gene aus anderen Organismen einfügen, bekannte Gene neu entwerfen und die Expression von Proteinen verändern. Aber die Ansätze von Liao, LS9 und Amyris zielen alle auf einen anderen Stoffwechselweg ab. LS9-Forscher haben den Fettsäurestoffwechsel von E coli , während Amyris an den Wegen bastelt , die natürliche Verbindungen produzieren , die als Isoprenoide bekannt sind .

Liao sagt, dass der Aminosäureweg einen kleinen Vorteil haben könnte. Es ist von Natur aus aktiver in Bakterien, daher könnte das Spielen damit produktiver sein. Wir denken, dass dies an sich ein effizienterer Weg ist, um diese Verbindungen herzustellen, sagt er. Wir haben also möglicherweise einen höheren Ertrag.

Der neue langkettige Alkoholkraftstoff hat laut Liao das Interesse der Unternehmen geweckt. Aber es liegt noch ein langer Weg vor uns. Eine große Herausforderung, die es zu bewältigen gilt, könnte die Toxizität der langkettigen Alkohole für die Bakterien sein, sagt Chris Somerville , Direktor des Energy Biosciences Institute an der University of California, Berkeley. Ethanol ist in einer Konzentration von etwa 14 Prozent für Mikroben tödlich. Butanol ist noch giftiger und tötet Mikroben bei einer Konzentration von etwa 2 Prozent ab. Diese Toxizität ist eines der Hauptprobleme bei Butanolprozessen. Ein Produkt herzustellen, das für die Kultur relativ ungiftig ist, sagt Somerville, ist wirklich wichtig, um den Ertrag zu steigern.

Liao glaubt nicht, dass Toxizität ein Showstopper sein wird. Er sagt, dass die Bakterien verändert werden könnten, um sie alkoholtoleranter zu machen. Aber die Steigerung des Ertrags liege in den Händen des Unternehmens, das die neue Technologie lizenziert.

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