211service.com
Kukurydza zagruntowana do produkcji biopaliw
Starając się zwiększyć podaż biopaliw w kraju, naukowcy stworzyli trzy odmiany genetycznie zmodyfikowanej kukurydzy do produkcji enzymów, które rozkładają celulozę rośliny na cukry, które można fermentować do etanolu. Włączenie takich enzymów bezpośrednio do roślin może obniżyć koszty przetwarzania celulozy w biopaliwo.
Pędy i liście: Aby ułatwić rozkład celulozy na cukry fermentujące do produkcji etanolu, Mariam Sticklen z Michigan State University modyfikuje genetycznie kukurydzę za pomocą genów, które wytwarzają enzymy rozkładające celulozę w łodygach i liściach rośliny. Enzymy są aktywowane dopiero po zbiorze kukurydzy, kiedy roślina jest zmielona.
W zeszłym roku nowe przepisy federalne wezwały do zwiększenia produkcji paliw odnawialnych do 36 miliardów galonów rocznie – prawie pięciokrotnie w stosunku do obecnych poziomów – do 2022 roku. Obecnie prawie cały etanol paliwowy w Stanach Zjednoczonych jest wytwarzany z ziaren kukurydzy. Aby sprostać wymaganemu wzrostowi, naukowcy sięgają po inne źródła, takie jak celuloza, złożony węglowodan występujący we wszystkich roślinach. Liście i łodygi kukurydzy, trawy preriowe i wióry drzewne są wiodącymi kandydatami na dostawy celulozy. Etanol celulozowy ma wiele zalet w porównaniu z etanolem wytwarzanym z ziaren kukurydzy. Celuloza jest nie tylko niezwykle bogata i niedroga; badania sugerują również, że produkcja i stosowanie etanolu z celulozy może generować mniej gazów cieplarnianych.
Jednak największą przeszkodą w komercjalizacji etanolu celulozowego jest rozkład celulozy. Enzymy degradujące celulozę, zwane celulazami, są zazwyczaj wytwarzane przez drobnoustroje hodowane w dużych bioreaktorach, co jest procesem kosztownym i energochłonnym. Aby etanol celulozowy był naprawdę konkurencyjny, naprawdę musimy obniżyć te koszty, mówi Michael J. Blaylock, wiceprezes ds. rozwoju systemów w Edenspace, firmie biotechnologicznej z siedzibą na Manhattanie, KS.
Mariam Sticklen, profesor nauk o uprawach i glebie na Uniwersytecie Stanowym Michigan w East Lansing, doszła do wniosku, że może wyeliminować koszty produkcji enzymów poprzez zaprojektowanie kukurydzy do produkcji samych enzymów. Mówi, że zamiast polegać na energochłonnym procesie ich wytwarzania w bioreaktorach, rośliny wykorzystują darmową energię słoneczną do produkcji enzymów.
Zazwyczaj rozkład celulozy wymaga trzech różnych celulaz. W zeszłym roku Sticklen poinformował o modyfikacji kukurydzy za pomocą genu celulazy, który tnie długie łańcuchy celulozy na mniejsze kawałki. Gen pochodzi od drobnoustroju żyjącego w gorącym źródle. Miesiąc później Sticklen wstawił gen pochodzący z grzyba glebowego do genomu kukurydzy. Ten gen koduje enzym, który rozbija mniejsze kawałki celulozy na pary cząsteczek glukozy. W ramach tych ostatnich wysiłków Sticklen zmodyfikował kukurydzę, aby wyprodukować enzym, który dzieli pary glukozy na pojedyncze cząsteczki cukru; Enzym jest naturalnie wytwarzany przez drobnoustrój żyjący w żołądku krowy. Efekt końcowy: trzy szczepy kukurydzy, z których każdy wytwarza enzym niezbędny do całkowitego rozkładu celulozy.
Aby uniknąć możliwości przeniesienia genów do innych upraw lub dzikich roślin, enzymy są produkowane tylko w liściach i łodygach rośliny, a nie w jej nasionach, korzeniach czy pyłku, mówi Sticklen. Co więcej, aby zapobiec samotrawieniu się kukurydzy, zaprojektowała rośliny tak, aby enzymy gromadziły się tylko w specjalnych komorach magazynujących wewnątrz komórek, zwanych wakuolami. Celulazy uwalniają się dopiero po zebraniu rośliny, podczas przetwarzania. Sticklen opisała swoje zmodyfikowane uprawy w zeszłym tygodniu na krajowym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego w Nowym Orleanie.
Chociaż możliwe jest włączenie wszystkich trzech genów do jednej rośliny, mówi Sticklen, użycie trzech różnych odmian kukurydzy, z których każda ma inny gen, pozwoli jej kontrolować przemianę celulozy w cukry. Wstępne badania pokazują, że enzymy są tak samo wydajne, jak enzymy dostępne na rynku, gdy są połączone w stosunku 1:4:1, mówi. Wyniki sugerują, że zmieszanie trzech różnych roślin w tych samych proporcjach zapewni najlepsze rezultaty.
Myślę, że strategia podziału enzymów w wakuolach jest wspaniała, mówi Susan Leschine, mikrobiolog z University of Massachusetts Amherst. Mam pytanie, czy enzymy działają w realistycznych warunkach? Na przykład, różne gatunki drobnoustrojów wydzielają własne celulazy, które działają synergistycznie, odłupując włókna celulozy. Nie jest jasne, mówi Leschine, jak dobrze enzym pobrany z drobnoustroju żyjącego w gorącym źródle będzie działał z enzymem pobranym z grzyba glebowego. Te różne enzymy mogą nie być aktywne w tych samych warunkach, mówi.
Firma Edenspace, która obecnie opracowuje technologię Sticklen, spodziewa się, że w ciągu roku rozpocznie próby terenowe swojej genetycznie zmodyfikowanej kukurydzy, mając na celu komercjalizację technologii w ciągu najbliższych trzech lat, mówi Blaylock. Firma nie jest sama w realizacji tej strategii: Agrivida, rolnicza firma biotechnologiczna z siedzibą w Medford w stanie Massachusetts, również modyfikuje genetycznie kukurydzę, aby uprościć produkcję etanolu celulozowego.
To naprawdę warto podążać, mówi Michael Ladisch, profesor inżynierii rolniczej i biologicznej na Purdue University w West Lafayette, IN. Jednak pod koniec dnia jest to bardziej skomplikowane, niż się wydaje. Główną przeszkodą jest znalezienie sposobów na zapewnienie, że enzymy przetrwają chemiczną i fizyczną obróbkę wstępną niezbędną do usunięcia ligniny – twardego polimeru w ścianach komórkowych, który zapewnia roślinom siłę – z włókien celulozowych, mówi Ladisch, który jest obecnie na przepustce. Chęć pełnienia funkcji głównego oficera technicznego w Mascoma, firmie zajmującej się biopaliwami z siedzibą w Brighton w stanie Massachusetts.
Jednym z rozwiązań jest zaprojektowanie roślin tak, aby wymagały jedynie łagodnej obróbki wstępnej. Na przykład Sticklen pracuje nad zmniejszeniem ilości ligniny zawartej w kukurydzy, a także modyfikacją molekularnej konfiguracji ligniny, co ułatwiłoby jej rozkład. Chociaż jej praca skupia się obecnie na modyfikowaniu kukurydzy, Sticklen twierdzi, że tę technologię można w końcu przenieść również na inne uprawy, takie jak proso rózgowe.