Kvas se dvigne na novo priložnost | 2020

Vsebina:

Anonim

Nancy Ho, molekularni genetik na univerzi Purdue, je spremenila gene določenega tipa kvasovk, tako da lahko majhen organizem pretvori več sladkorjev, ki jih najdemo v rastlinski snovi - ostanke koruze, drevesne liste, sekance, odrezke trave, celo kartonske škatle - v etanol.

Njena skoraj dvajsetletna prizadevanja za proizvodnjo gensko spremenjenega kvasa so ji in njenim industrijskim partnerjem prinesla nagrado R&D 100, ki jo bo 24. septembra izdala revija R&D za razvijalce 100 najbolj tehnološko pomembnih izdelkov in procesov v letu.

Etanol, oblika alkohola, je tekoče gorivo, ki ga lahko uporabimo sami ali pa zmešamo z bencinom, da ustvarimo "gasohol". Pri izgorevanju etanol proizvede veliko manj onesnaževanja zraka in toplogrednih plinov kot bencin. Trenutno se etanol proizvaja, ko kvasovke fermentira glukoza, oblika sladkorja, ki se nahaja v živilskih rastlinah, kot so trsni sladkor, koruza in druga žita, bogata s škrobom. Vendar pa, pravi Ho, ti pridelki so dragi in v omejeni ponudbi, zaradi česar so predragi za proizvodnjo etanola v velikem obsegu.

Gensko spremenjeni kvas proizvaja vsaj 30 odstotkov več etanola iz dane količine rastlinskega materiala kot nespremenjena različica kvasa ali katerega koli drugega kvasa. Prav tako je superstabilen in ga ni treba gojiti v posebnih hranilih ali pod posebnimi pogoji. Kvas lahko uporablja kmetijske in druge organske odpadke - obilne, popolnoma obnovljive domače vire - namesto prehrambenih pridelkov, kar bi lahko koristilo kmetom, ki bi lahko pridobili dodaten prihodek s prodajo ostankov pridelkov podjetjem, ki proizvajajo etanol, pravi Ho.

"Ta rastlinski material je idealna in poceni surovina za proizvodnjo etanola," pravi Ho. "Ta gensko spremenjeni kvas bo omogočil znatno znižanje stroškov proizvodnje etanola v velikem obsegu. Cilj je, da etanol ne bo konkurenčen le stroškom bencina na črpalki, ampak bo tudi veliko cenejši. odpadki ne bodo le zmanjšali odvisnost naše države od tuje nafte, temveč bodo zaradi čistega sežiganja tudi zmanjšali onesnaževanje zraka in emisije toplogrednih plinov iz avtomobilov.

Ho in njeni sodelavci v skupini za molekularno genetiko v laboratoriju podjetja Purdue za inženiring obnovljivih virov energije (LORRE) so prejeli nagrado R&D 100 za svoje delo s podjetjem SWAN Biomass Co., Oakbrook Terrace, Ill., Za razvoj gensko spremenjenega kvasa. Letne nagrade bodo podeljene na banketu 24. septembra in razstavi v muzeju znanosti in industrije v Chicagu.

Kvas, ki ga je Ho modificiral, imenovan Saccharomyces kvas, je okolju varen mikroorganizem, ki ga industrija običajno uporablja za fermentacijo glukoze v etanol. Prav tako se že od antičnih časov uporablja za pridelavo vina. Toda glukoza je samo ena vrsta sladkorja v rastlinski snovi. Začetki v začetku osemdesetih let 20. stoletja so Hojevo raziskovalno skupino in druge po vsem svetu poskušali gensko spremeniti kvas, tako da bi lahko fermentirala tako glukozo kot še en rastlinski sladkor, ksilozo, v etanol. Kvas, ki lahko fermentira oba sladkorja, lahko proizvede več etanola iz enake količine rastlinskega materiala, zaradi česar je postopek bolj ekonomičen.

"Okoli 30 do 40 odstotkov sladkorja, sproščenega iz rastlinske snovi, imenovane celulozna biomasa, je ksiloza, preostalih 60 do 70 odstotkov pa je glukoza," pravi Ho. "Če lahko 60% sladkorja fermentiramo v etanol, ga ne moremo narediti dovolj poceni, da bi ga uporabili za vožnjo vašega avtomobila."

V zadnjih letih so vse raziskovalne skupine v ZDA opustile zasledovanje kvasa, ki bi lahko fermentiralo tako glukozo kot ksilozo, vendar sta se skupina Ho in tri druge mednarodne skupine nadaljevale.

"Ostal sem pri tem projektu, ker sem mislil, da je uporaben in me je zanimala" zelena "kemija," pravi Ho. "To je tema, o kateri se močno zavedam in da sem si vedno želela raziskati - nekaj je treba storiti za reševanje naših problemov z odpadki in onesnaževanjem."

Leta 1993, po več kot 10 letih namenskih raziskav, je Hoova skupina postala prva na svetu, ki je proizvedla gensko spremenjen kvas Saccharomyces, ki lahko učinkovito fermentira tako glukozo kot ksilozo.

Ho je najprej ugotovil, da je Saccharomyces kvas potreben za proizvodnjo treh močnih encimov, da bi lahko učinkovito pretvoril ksilozo v etanol. Nato je izbrala kvas, ki bi lahko fermentiral ksilozo, ki pa ni bil učinkovit za fermentacijo glukoze, in kloniral iz tega kvasa tri gene, odgovorne za proizvodnjo encimov, ki fermentirajo ksilozo. Ho je razvil tudi novo metodo za vključitev več kopij treh genov, ki presnavljajo ksilozo, v kromosom kvasovke Saccharomyces.

"Naši gensko spremenjeni kvas ne samo da lahko učinkovito fermentira ksilozo, temveč lahko tudi fermentira glukozo in ksilozo hkrati z etanolom, lastnostjo, ki je nima noben drug naravni mikroorganizem," pravi Ho. "To je pomembno za industrijsko proizvodnjo etanola, ker traja manj časa, medtem ko se proizvaja več izdelkov."

Poleg tega kvas ne zahteva dragih antibiotikov za ohranjanje aktivnih kloniranih genov, kvas pa proizvaja zelo malo stranskih produktov, ki jih je treba odstraniti iz etanola.

Ho je tudi uspeh projekta kvasa podprl direktorju LORRE, profesorju Georgeu Tsaoju, za njegovo predvidevanje pred skoraj 20 leti v predvidevanju pomena tehnologije kloniranja genov za prihodnost biotehnologije. "Leta 1980 se je odločil ustanoviti raziskovalno skupino za molekularno genetiko pri LORRE, nato pa je imel pogum, da je odgovornost za ustanovitev te skupine, pa tudi za izvedbo tega pomembnega projekta, prevzel na tehnologi, ki jo je naredil sam klon, ženska znanstvenik in diplomant Purdueja, ki iz družinskih razlogov ni nikoli zapustil Purdueja po prejemu doktorata. "

Geneticist Zhengdao Chen in tehnik Adam Brainard, člani raziskovalne skupine Ho, sta prav tako prispevala k razvoju kvasa.

Leta 1993 je Amoco Corp. licenciral sev kvasovk. SWAN Biomass Co., hčerinska družba Amoco, je bila ustanovljena za razvoj kvasa za komercialno uporabo. Podjetje je testiralo kvas v obsežnem testnem laboratoriju v Nacionalnem laboratoriju za obnovljivo energijo v Golden, Colo, rezultati pa so potrdili, da je kvas učinkovit pri fermentaciji glukoze in ksiloze iz celulozne biomase v etanol, pravi Ho.

Robert Walker, predsednik podjetja SWAN Biomass Co., pravi: "Prve komercialne uporabe te nove tehnologije bodo verjetno v proizvodnji etanola za gorivo iz odpadkov, ki nastanejo na kmetijah, ali iz odpadkov, ki nastanejo pri predelavi pridelkov."

Ho pravi, da je naslednji korak nadaljnje izboljšanje kvasa.

"Predvidevamo, da bo naš končni inženirski kvasni sev potreboval le polovico časa za fermentacijo enake količine glukoze in ksiloze kot trenutnega seva," pravi Ho. Poleg tega pravi, da bi se nova metoda, ki so jo razvili za vključitev več kopij genov v kromosom kvasa, lahko uporabila za izdelavo kvasovk, ki lahko poleg etanola proizvedejo tudi druge stranske proizvode visoke vrednosti.

Raziskavo Ho je financiral Ministrstvo za energijo prek konzorcija za biotehnološko raziskovanje rastlin Inc .; ameriška agencija za varstvo okolja; in industrijo, vključno z biomaso SWAN.