Przełomowa biotechnologia umożliwia produkcję zrównoważonych biopaliw przez zmodyfikowane bakterie
Odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, mogą pomóc w zmniejszeniu emisji CO2 do atmosfery. Czasami źródła te produkują spore ilości energii, podczas gdy jej zużycie jest niekoniecznie duże. Ze względu na brak realnych rozwiązań w zakresie magazynowania nadwyżek energii elektrycznej całkowite wyparcie tradycyjnych elektrowni nie jest jeszcze możliwe. Ponadto wytwarzane przez przemysł ogromne ilości CO2, na przykład przy produkcji stali, nie są poddawane przetwarzaniu wtórnemu. Dzięki współpracy naukowców i firm z całej Europy finansowany ze środków UE projekt eForFuel zajął się wszystkimi tymi kwestiami jednocześnie.
Mikroskopijne drobnoustroje ruszają na ratunek
Przełomowa koncepcja projektu eForFuel polegała na wykorzystaniu nadmiaru energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, emisji odpadów z przemysłu oraz wyhodowanych w laboratorium bakterii do produkcji wartościowych, gotowych do użycia biopaliw. „Nasz zrównoważony łańcuch produkcyjny przekształca emisje CO2 i odnawialną energię elektryczną w wygodny do użycia kwas mrówkowy, który następnie podawany jest zmodyfikowanym drobnoustrojom w celu produkcji odnawialnych paliw węglowodorowych i innych biomateriałów”, zauważa Laura Martinelli, dyrektor generalna i założycielka firmy IN SRL Impresa Sociale oraz koordynatorka projektu. Pierwszy krok polegał na wykorzystaniu odnawialnej energii elektrycznej do bezpośredniej redukcji CO2 do postaci płynnego produktu. CO2 i wodę wprowadzono do elektrolizera, tworząc kwas występujący najczęściej u mrówek, tzw. kwas mrówkowy. Następnie przeniesiono go do fermentora, czyli naczynia, w którym można hodować bakterie. W tym celu zastosowano specjalny szczep zmodyfikowanej bakterii Escherichia coli (E. coli) zdolnej do trawienia kwasu mrówkowego i wytwarzania gazów węglowodorowych, które można przekształcić w paliwa transportowe.
Nowy sposób na wykorzystanie CO2 do produkcji zaawansowanych biopaliw
„Zasoby CO2 są nieograniczone, można wychwytywać go z powietrza lub ze źródeł punktowych i przekształcać w wiele produktów, w tym zaawansowane biopaliwa. Technologia ta jest wciąż w powijakach i stawia przed nami szereg wyzwań, takich jak opłacalna redukcja CO2 do postaci funkcjonalnego nośnika i jego sukcesywne przekształcanie w zaawansowane paliwa za pośrednictwem zmodyfikowanego drobnoustroju”, mówi Martinelli. Szlak metaboliczny efektywnie przekształcający CO2 i kwas mrówkowy w paliwo powstał w wyniku reakcji odwrotnego rozszczepienia glicyny. Glicyna i seryna, uniwersalne prekursory związków jednowęglowych, powstają z mrówczanu i CO2 w drodze redukcji. „Jako pierwsi stworzyliśmy w pełni syntetyczny redukcyjny szlak glicyny, umożliwiający E. coli wzrost na kwasie mrówkowym i CO2 jako jedynych źródłach węgla. Okazał on się najbardziej energooszczędnym tlenowym szlakiem asymilacji mrówczanu, nadającym się do zastosowania w skali przemysłowej”, podkreśla Martinelli. Adaptacyjna ewolucja laboratoryjna (ang. adaptive laboratory evolution, ALE) dodatkowo zoptymalizowała szczep pod kątem szybkiego wzrostu i zwiększenia uzysku biomasy. Ponadto eksperymenty ALE przystosowały szczep do wzrostu przy niższych stężeniach CO2, podobnych do tych, które występują w przemysłowych gazach odlotowych. „Opracowywanie wydajnych rozwiązań technologicznych, takich jak szczepy bakterii, które mogą wzrastać i wytwarzać produkty z wykorzystaniem źródeł jednowęglowych, jest kluczowy dla stworzenia zrównoważonej i skalowalnej biogospodarki. Kilka grup badawczych powieliło już modyfikację redukcyjnego szlaku glicyny w innych mikroorganizmach, realizowane jest też wiele projektów, które mają bazować na pracach zapoczątkowanych w ramach projektu eForFuel”, mówi Martinelli. „Badania mające na celu weryfikację poprawności projektu pozwoliły na rozwój zmodyfikowanego szczepu E. coli w celu umożliwienia jego wzrostu na metanolu, innym zredukowanym związku jednowęglowym, który skutkuje mniejszym śladem CO2. Dzięki temu może stać się bardziej odpowiednim źródłem węgla do wykorzystania w biogospodarce”, podsumowuje Martinelli. Pamięci Arrena Bar Evena, wynalazcy innowacyjnej technologii eForFuel, który odszedł przedwcześnie. Specjalne podziękowania dla Steffena Lindnera z Charité – Universitätsmedizin Berlin, który również kontynuuje swoje pionierskie prace.
Słowa kluczowe
eForFuel, CO2, kwas mrówkowy, E. coli, biopaliwo, odnawialna energia elektryczna, redukcyjna ścieżka glicyny, źródło jednowęglowe
