Эти же линии могут также производить прекурсоры фармацевтических препаратов, биопластиков, гербицидов, детергентов и т. Д.«Большой вклад состоит в том, что мы смогли запрограммировать клетки для производства определенных предшественников топлива», — сказала Памела Сильвер, доктор философии, член основного факультета Института Висс, профессор системной биологии Гарвардской медицинской школы и старший автор исследования. .Новое биотопливо необходимо для автомобилей и других транспортных средств. Этанол, самое популярное биотопливо на рынке, содержит только две трети энергии бензина, а топливо, содержащее этанол, также разъедает трубы, резервуары и другую инфраструктуру, используемую для транспортировки и хранения бензина.
Между тем, сжигание бензина само по себе добавляет в атмосферу огромное количество углекислого газа и зависит от сокращающихся мировых запасов нефти.Тем не менее, бензин производит больше энергии, чем нынешнее биотопливо, когда он сжигается в двигателе внутреннего сгорания, и остается жидким при температурах от жары в Техасе до резкого похолодания в Северной Дакоте. Более того, сотни миллионов автомобилей по всему миру построены для работы на нем.
Сильвер и ее команда ищут новые способы производства бензиноподобного биотоплива, которое можно было бы хранить на заправочных станциях и использовать в качестве топлива для автомобилей, которые у нас уже есть. Для их разработки они привлекли культовую лабораторную бактерию E. coli, которая помогла создать прекурсоры бензина, называемые жирными кислотами — энергетически насыщенные молекулы, содержащие цепочки атомов углерода, окруженные атомами водорода, которые можно легко преобразовать в топливо.В частности, они сосредоточены на жирных кислотах со средней длиной цепи — с цепями от 4 до 12 атомов углерода.
Жирные кислоты с более короткими цепями не хранят достаточно энергии, чтобы быть хорошим топливом, и имеют тенденцию легко испаряться, в то время как кислоты с цепями длиной более 12 атомов углерода слишком воскообразны. Но жирные кислоты средней длины — это как раз то, что нужно для превращения в энергетически насыщенное жидкое топливо для двигателей внутреннего сгорания.Сегодня нефтеперерабатывающие заводы производят из сырой нефти соединения со средней длиной цепи.
Но «вместо того, чтобы использовать нефтепродукты, это могут сделать микробы или другие живые организмы», — сказал Сильвер.Для этого Джо Торелла, доктор философии, и Тайлер Форд, аспиранты Гарвардской медицинской школы по системной биологии в лаборатории Сильвера и ведущие соавторы статьи, изменили метаболический путь E. coli, который производит жирные кислоты. В частности, они массово производили восьмиуглеродную жирную кислоту, называемую октаноатом, которая может быть преобразована в октан.По этому пути углерод из сахара, который поедает бактерия, течет по пути, как река, увеличиваясь по мере своего протекания.
Ниже по потоку он выходит в виде длинноцепочечной жирной кислоты.Торелла и Форд сначала частично перекрыли реку и построили оросительную канаву, используя препарат, блокирующий ферменты, удлиняющие цепи жирных кислот.
Это привело к тому, что жирные кислоты со средней длиной цепи скапливались за плотиной, в то же время позволяя течению реки достаточно, чтобы бактерии могли построить свои мембраны и остаться в живых. Стратегия увеличила выход октаноата, но лекарство слишком дорогое для масштабирования процесса.По этой причине ученые попробовали вторую стратегию, которую можно было бы более легко расширить.
Они позволили клеткам расти, а затем с помощью генетического трюка перекрыли реку. Они также генетически изменили второй фермент, который обычно вырабатывает длинноцепочечные жирные кислоты, так что он расширяет жирные кислоты до восьми атомов углерода и не более.Эта двунаправленная стратегия — плюс некоторые другие генетические защелки и уловки, призванные не допустить отвода реки другими путями — дала ученым самый высокий выход октаноата, о котором когда-либо сообщалось.
«Мы обнаружили, что если мы перекрываем реку — если мы замедляем удлинение жирных кислот — мы поощряем создание жирных кислот со средней длиной цепи», — сказал Торелла.«Устойчивое развитие — одна из самых больших проблем, с которыми мы сталкиваемся сегодня, и разработка мощного биотоплива для замены бензина — серьезная проблема в этой области», — сказал Дон Ингбер, доктор медицинских наук, директор-основатель Института Висса. «Используя гениальные стратегии синтетической биологии для создания микробов, способных производить октан, команда Пэм сделала гигантский шаг к решению этой задачи».Затем ученые планируют разработать E. coli для преобразования октаноата и других жирных кислот в спирты, сами потенциальные молекулы топлива и всего в одном химическом шаге от октана.Эта работа финансировалась Агентством перспективных исследований Министерства энергетики (ARPA-E) и Национальным научным фондом.
Помимо Сильвера, Тореллы и Форда, в исследовательскую группу входили Скотт Ким и Аманда Чен, студенты из команды Сильвера, и Джеффри Уэй, доктор философии, старший научный сотрудник Института Висс.