تنتج البكتيريا المهندسة أوليفينات متوسطة السلسلة يمكن أن تحل محل النفط والغاز في التوليفات – ScienceDaily

إذا أرادت صناعة البتروكيماويات أن تتخلص من النفط والغاز ، فعليها أن تجد مواد كيميائية من مصادر مستدامة تنزلق بسهولة إلى العمليات الحالية لصنع منتجات مثل الوقود ومواد التشحيم والبلاستيك.

إن صنع هذه المواد الكيميائية بيولوجيًا هو الخيار الواضح ، لكن المنتجات الميكروبية تختلف عن هيدروكربونات الوقود الأحفوري بطريقتين رئيسيتين: تحتوي على الكثير من الأكسجين ، ولديها الكثير من الذرات الأخرى المتدلية من الكربون. من أجل أن تعمل الهيدروكربونات الميكروبية في العمليات التركيبية الحالية ، يجب غالبًا إزالة الأكسجين منها – بلغة كيميائية ، واختزالها – وتجريدها من المجموعات الكيميائية الدخيلة ، وكلها تستهلك طاقة.

قام فريق من الكيميائيين من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، وجامعة مينيسوتا الآن بهندسة الميكروبات لصنع سلاسل هيدروكربونية يمكن نزع الأكسجين منها بسهولة أكبر وباستخدام طاقة أقل – أساسًا جلوكوز السكر الذي تأكله البكتيريا ، بالإضافة إلى القليل الحرارة.

تسمح العملية بالإنتاج الميكروبي لمجموعة واسعة من المواد الكيميائية المصنوعة حاليًا من النفط والغاز – على وجه الخصوص ، منتجات مثل مواد التشحيم المصنوعة من الهيدروكربونات متوسطة السلسلة ، والتي تحتوي على ما بين ثماني إلى 10 ذرات كربون في السلسلة.

“جزء من المشكلة في محاولة الانتقال إلى شيء مثل الجلوكوز كمادة وسيطة لصنع الجزيئات أو لدفع الصناعة الكيميائية هو أن هياكل الوقود الأحفوري للبتروكيماويات مختلفة تمامًا – وعادة ما يتم تقليلها بالكامل ، بدون بدائل الأكسجين ، قالت ميشيل تشانغ ، أستاذة الكيمياء والهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي. “تعرف البكتيريا كيفية صنع كل هذه الجزيئات المعقدة التي تحتوي على كل هذه المجموعات الوظيفية المنبثقة عنها ، مثل جميع المنتجات الطبيعية ، ولكن صنع البتروكيماويات التي اعتدنا على استخدامها كسلائف للصناعات الكيماوية يمثل تحديًا كبيرًا بالنسبة لهم . “

وقالت “هذه العملية هي خطوة واحدة نحو إزالة الأكسجين من هذه المنتجات الميكروبية ، وتسمح لنا بالبدء في صنع أشياء يمكن أن تحل محل البتروكيماويات ، باستخدام الجلوكوز فقط من الكتلة الحيوية النباتية ، وهو أكثر استدامة ومتجددة”. “بهذه الطريقة يمكننا الابتعاد عن البتروكيماويات وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى.”

تم تصميم البكتيريا لصنع سلاسل هيدروكربونية متوسطة الطول ، وهو ما لم يتحقق من قبل ، على الرغم من أن آخرين طوروا عمليات جرثومية لصنع سلاسل أقصر وأطول ، تصل إلى حوالي 20 ذرة كربون. وقال تشانغ إن العملية يمكن تكييفها بسهولة لصنع سلاسل من أطوال أخرى ، بما في ذلك الهيدروكربونات قصيرة السلسلة المستخدمة كسلائف للمواد البلاستيكية الأكثر شيوعًا ، مثل البولي إيثيلين.

نشرت هي وزملاؤها نتائجهم هذا الأسبوع في المجلة كيمياء الطبيعة.

عملية حيوية لصنع الأوليفينات

الهيدروكربونات الأحفورية عبارة عن سلاسل خطية بسيطة من ذرات الكربون مع ذرة هيدروجين مرتبطة بكل كربون. لكن العمليات الكيميائية المُحسَّنة لتحويل هذه المنتجات إلى منتجات عالية القيمة لا تسمح بسهولة بالاستعاضة عن السلائف المنتجة بالميكروبات والتي تحتوي على أكسجين وذرات كربون مزينة بالعديد من الذرات الأخرى والجزيئات الصغيرة.

لجعل البكتيريا تنتج شيئًا يمكن أن يحل محل سلائف الوقود الأحفوري هذه ، قامت تشانغ وفريقها ، بما في ذلك المؤلفان المشاركان Zhen Wang و Heng Song ، وزملاء ما بعد الدكتوراه السابقين في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، بالبحث في قواعد البيانات عن إنزيمات من بكتيريا أخرى يمكنها تصنيع الهيدروكربونات متوسطة السلسلة . لقد سعوا أيضًا إلى إنزيم يمكنه إضافة مجموعة كيميائية خاصة ، حمض الكربوكسيل ، في أحد طرفي الهيدروكربون ، وتحويله إلى ما يسمى بالحمض الدهني.

أخيرًا ، أدخل الباحثون خمسة جينات منفصلة في بكتريا قولونية البكتيريا ، مما يجبر البكتيريا على تخمر الجلوكوز وإنتاج الحمض الدهني متوسط ​​السلسلة المطلوب. كانت التفاعلات الأنزيمية المضافة مستقلة أو متعامدة مع مسارات الإنزيم الخاصة بالبكتيريا ، والتي عملت بشكل أفضل من محاولة تعديل شبكة التمثيل الغذائي المعقدة للبكتيريا.

“حددنا إنزيمات جديدة يمكنها بالفعل أن تصنع سلاسل الهيدروكربون متوسطة الحجم هذه والتي كانت متعامدة ، ومنفصلة جدًا عن التخليق الحيوي للأحماض الدهنية بواسطة البكتيريا. وهذا يسمح لنا بتشغيله بشكل منفصل ، ويستخدم طاقة أقل مما لو كنت تستخدم وقال تشانغ “مسار سينثاس الأصلي”. “تستهلك الخلايا ما يكفي من الجلوكوز للبقاء على قيد الحياة ، ولكن إلى جانب ذلك ، لديك طريقك يمضغ كل السكر للحصول على تحويلات أعلى وعائد مرتفع.”

هذه الخطوة النهائية لإنشاء حمض دهني متوسط ​​السلسلة هيئ المنتج للتحويل السهل عن طريق التفاعل التحفيزي للأوليفينات ، والتي تعتبر سلائف للبوليمرات ومواد التشحيم.

تعاونت مجموعة جامعة كاليفورنيا في بيركلي مع مجموعة مينيسوتا بقيادة Paul Dauenhauer ، والتي أظهرت أن تفاعلًا تحفيزيًا بسيطًا قائمًا على الحمض يسمى تحفيز حمض لويس (بعد الكيميائي الشهير في جامعة كاليفورنيا في بيركلي جيلبرت نيوتن لويس) أزال بسهولة حمض الكربوكسيل من المنتجات الميكروبية النهائية – أحماض 3-هيدروكسي أوكتانويك و 3-هيدروكسي ديكانويك- لإنتاج الأوليفينات هيبتين ونونين ، على التوالي. يستخدم تحفيز حمض لويس طاقة أقل بكثير من تفاعلات الأكسدة والاختزال اللازمة عادةً لإزالة الأكسجين من المنتجات الطبيعية لإنتاج الهيدروكربونات النقية.

قال Dauenhauer ، الذي يشير إلى جزيئات السلائف هذه على أنها بترول حيوي: “تحتوي هذه الجزيئات على كمية كافية من الأكسجين يمكننا تحويلها بسهولة إلى جزيئات أكبر وأكثر فائدة باستخدام محفزات الجسيمات النانوية المعدنية. وقد سمح لنا ذلك بضبط توزيع المنتجات الجزيئية حسب الحاجة ، تمامًا مثل المنتجات البترولية التقليدية ، باستثناء هذه المرة كنا نستخدم منتجات متجددة مصادر.”

يمكن استخدام Heptene ، الذي يحتوي على سبعة كربون ، ونونين ، مع تسعة ، مباشرة كمواد تشحيم ، وتكسيرها إلى هيدروكربونات أصغر واستخدامها كسلائف للبوليمرات البلاستيكية ، مثل البولي إيثيلين أو البولي بروبيلين ، أو ربطها لتشكيل هيدروكربونات أطول ، مثل تلك الموجودة في الشمع و ديزل.

قال تشانغ: “هذه عملية عامة لصنع مركبات مستهدفة ، بغض النظر عن طول السلسلة”. “ولا يتعين عليك هندسة نظام إنزيم في كل مرة تريد تغيير مجموعة وظيفية أو طول السلسلة أو كيفية تفرعها.”

على الرغم من إنجازاتهم في الهندسة الأيضية ، أشار تشانغ إلى أن الهدف طويل الأمد والأكثر استدامة سيكون إعادة تصميم العمليات بالكامل لتخليق الهيدروكربونات الصناعية ، بما في ذلك البلاستيك ، بحيث يتم تحسينها لاستخدام أنواع المواد الكيميائية التي تنتجها الميكروبات عادة ، بدلاً من تعديل المنتجات الميكروبية لتلائم العمليات التركيبية الحالية.

قالت: “هناك الكثير من الاهتمام في السؤال ، ماذا لو نظرنا إلى هياكل بوليمر جديدة تمامًا؟” “هل يمكننا صنع المونومرات من الجلوكوز عن طريق التخمير للمواد البلاستيكية ذات الخصائص المماثلة للبلاستيك الذي نستخدمه اليوم ، ولكن ليس نفس الهياكل مثل البولي إيثيلين أو البولي بروبلين ، والتي ليس من السهل إعادة تدويرها.”

تم دعم العمل من قبل مركز البوليمرات المستدامة ، وهو مركز للابتكار الكيميائي تدعمه مؤسسة العلوم الوطنية (CHE-1901635). المؤلفون المشاركون الآخرون هم إدوارد كوليسكي ونوريتاكا هارا ويجين مين من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ودا سونغ بارك وجوراف كومار من جامعة مينيسوتا.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *