Upravená bakterie vdechuje oxid uhličitý a dělá z něj palivo do motorů

16. prosince 2009 v 9:50 |  Veda a technika
Američtí vědci geneticky modifikovali sinici, ta nyní začala z oxidu uhličitého, známého to oteplovacího plynu, produkovat isobutyraldehyd - látku, na níž může jezdit většina dnešních automobilů.




Synechococcus elongatus má normálně 2665 genů. Když se jích pár přidá vznikne něco, co umí ze slunce a vzduchu vyprodukovat palivo.

V laboratořích Kalifornské University ve Škole Henryho Samuele pro technické a aplikované vědné obory (UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science) se pomocí genetických manipulací zrodil nový druh bakterie. O věci nyní informuje prestižní časopis Nature Biotechnology. Ze zveřejněných informací vyplývá, že by se mohlo jednat o cestu, jak uspokojovat světový hlad po energii a ještě k tomu snižovat produkci skleníkových plynů.

K posílení produkce enzymu Rubisco,vložili genetici do chromozómu sinice gen rbcLS. Vypůjčili si ho od jiné, příbuzné sinice.
Zatímco jiné alternativy výroby biopaliv vyžadují celou řadu postupných kroků, v tomto případě to zní téměř jako pohádka "O zelené energii", kde ze škodlivého CO2 se recyklací dělá biopalivo. Tento nový proces obchází potřebu předchozího rozkladu biomasy, což je hlavní důvod, proč biopaliva zatím naftě a benzínu nekonkurují. To by se mohlo nyní změnit. Vyvinutý postup má být mnohem efektivnější a levnější, než všechny stávající biotechnologické postupy. Tvrdí to šéf výzkumného týmu profesor James C. Liao.
Základem jejich výroby má být upravená sinice Synechococcus elongatus. Jde o organismus, který má jeden kruhový chromozóm a dva plasmidy. Dva kmeny již byly v minulosti sekvencovány a jejich genom je tedy poměrně dobře znám a to i co do jeho funkcí. Genom tohoto relativně jednoduchého organismu se sestává z 2 700 000 párů bází. Chromozóm měl geny pro 2 612 proteinů a 53 ribonukleáz. Jde o organismus, který řadíme mezi autotrofní, tedy ty, jež umí získávat energii zadarmo - ze slunečního svitu.

GMO sinice podle kuchařky UCLA
Vezme se jedna z obyčejných a nejběžnějších sinic (Synechococcus elongatus) a ta se přinutí, aby tvořila více RuBisCO enzymu. RuBisCO (čili hezky česky ribulózo-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza) hraje ve fotosyntéze klíčovou roli. Karboxyluje ribulózo-1,5-bisfosfát, čili navazuje vzdušný oxid uhličitý a posílá ho dalším enzymům, které z něj postupně udělají cukr. Posílení produkce tohoto enzymu je potřeba proto, protože je neuvěřitelně pomalý. Zatímco normální enzymy zvládnou tisíce reakcí za vteřinu, RuBisCO jich stihne jen několik. Vyrobit šikovnější RuBisCO byl zatím problém. Zdálo se, že každý lidských zásah do RuBisCO je jenom k horšímu. Jak na Oslu psal Standa Mihulka, vylepšit produkci RiBisCO se snažilo mnoho týmů, zatím ale jen k horšímu. Zajímavé výsledky se nedávno podařily až Ichiro Matsumurovi z americké Emory University School of Medicine v Atlantě. Ten ve své laborce kreacionisticky vložil gen pro RuBisCO dokonce do střevní bakterie Escherichia Coli a fungovalo mu to.
Zdrojem uhlíku pro sinice je CO2. Ten v takzvaném Calvinově cyklu fotosyntézy za přispění vody, která slouží jako zdroj elektronů, dává vznik kyslíku. Uhlík je v tomto cyklu využit k tvorbě glukózy a ta slouží jako energetický zdroj pro další biosyntézy.
Jeho přístup je považován za jednu ze slibných cest, jak přijít k organismu produkujícímu kapalné biopalivo. Ale vraťme se z Atlanty od bakterií do Kalifornie k našim primitivnějším organismům - sinicím. U těch vědci také zmanipulovali gen RubBisCO a tím u nich dosáhli výkonnější fotosyntézy.
Cesta, kterou nový organismus z CO2 tvoří isobutyraldehyd.
Pak už jen stačilo vystřihnout některé geny z jiných organismů a vpašovat jim je do buňky. Především šlo o gen pro produkci isobutyraldehydu. Jakmile jej pomocí restrikčních enzymů vpletli sinici genomu, ta se začala mocně nadechovat a ze vzduchu nasávat kvanta CO2. Když jí pak začalo být s té práce a sluníčka teplo, potila přes buněčnou membránu kýžený isobutyraldehyd. To je kapalina s nízkým bodem varu a tedy je snadné ji z vodního systému, ve kterém se sinice "chovají", vyloučit. Z komentáře profesora Jamese C. Liao na tom má být nejsložitější, "zajistit si na biopalivo dostatek kanystrů".

I když sinice dokáže tvořit také isobutanol (na něj auta mohou jezdit) přímo, je podle badatelů vhodnější jí moc netýrat a nechat jí dělat "jen" isobutylaldehyd. Nejedná se ale o vážnou komplikaci, protože isobutyraldehyd lze levným chemickým procesem katalyticky snadno přeměnit na isobutanol. Ideální místo pro plánovanou výrobnu vidí autoři publikace v sousedství elektrárny, kde by se odpadní škodlivý oxid uhličitý mohl recyklovat na něco užitečnějšího. Uvidíme, co z toho nakonec bude. Publikovaných prací o převratných objevech, kdy se biopalivo mělo tvořit snadno, již byla celá řada. Nakonec se vždy našlo něco, co celou věc zhatilo. Většinou se vylučovaný produkt v určité koncentraci stává pro buňku toxický a ve výsledku lze dosáhnout jen jeho nízkých koncentrací. Sklízení takového "řídkého" produktu se pak nevyplatí.

V tomto případě by tomu tak být nemělo. Pro buňku je jednodušší tvořit isobutylaldehyd také proto, že jde o látku, která se lehce odpařuje, tím jej lze ze systému snadněji odstraňovat, což snižuje sinicím toxicitu prostředí. Proto také celý proces vědcům jede na jeden zátah 8 dnů a teprve pak se zastavuje. To je déle, než když se sinice, nebo řasy využívaly k produkci etanolu, vodíku, nebo proteinů.

Geneticky modifikovaná sinice Synechococcus elongatus. (Kredit: University of California - Los Angeles)
O podobné využití sinic, jako se snaží vědci na Kalifornské universitě, se pokouší i jejich kolegové v Texasu. Na universitě v Austinu se rovněž montují sinicím do genomu. Tamní organismy vyvinuté profesorem R. Malcolmem Brownem a Dr. Davidem Noblesem tvoří spolu s celulózou také glukózu a sacharózu a jejich sinice jsou opravdu poněkud "noblesní". Vytváří totiž relativně čistou formu celulózy a navíc jde o celulózu ve formě jakéhosi gelu, což je ideální forma pro její následné štěpení na glukózu. Texasané jsou přesvědčeni, že jejich cesta je správnější a že jejich modifikovaná sinice je ideální pro produkci suroviny, kterou lze snadno zkvasit a levně tak pomocí kvasinek z ní vyrobit etanol.

Shota Atsumi, hlavní autor publikace, má na svém kontě již jeden patent na výrobu biopaliva. Genticky modifikovaný organismus stvořený k produkci butanolu.
Která z cest se ukáže tou správnou, lze v tuto chvíli odhadnout jen těžko. Oba směry vycházejí ze sinic, které by šlo "pěstovat" jak v mořské, tak sladké vodě. Sinice Synechococcus je jedním z nejběžnějších, ale také nejdůležitějších organismů na Zemi. V mořích je tolik sinic, že se odhaduje se, že dohromady produkují 25% veškeré biomasy. Jsou tedy jedním z našich nejvýkonnějších fotosyntetických "zařízení". Nejsou to ale žádní beránci. Ve sladkých vodách, kde mají dostatek energetických zdrojů, dokážou některé kmeny škodit. Aby je ryby nežraly, brání se jedy a ty jsou i pro naše nervové buňky toxicé a také jim vděčíme za alergie.

Vedlejším produktem metabolismu sinic, ať už těch modifikovaných nebo normálních, je kyslík. A tak tento primitivní organismus, kterému už nyní vděčíme za to, že máme co dýchat, nám nyní možná pomůže řešit i "oteplování" a problémy s vysychajícími zdroji ropy. A to všechno, jak se říká "z jedné vody načisto", ať už ta voda bude slaná, nebo sladká.
Konkurenční tým: Dr. R. Malcolm Brown (vlevo) a Dr. David Nobles sázejí u sinic na produkci celulózy a glukózy, z nichž následně chtějí za pomoci kvasinek získávat etanol. (Foto: Richard Santos, UTA)

Kolik se toho dá vyrobit?
V laboratoři dostávají z jednoho litru tekutiny se sinicemi 6,230 mikrogramů isobutyraldehydu za hodinu. I když nám to může připadat málo, pro odborníky to je překvapivě moc. Pro srovnání přichází v úvahu jen údaje z výrobny, která využívá k produkci biopaliva kontinuální kultivaci geneticky modifikovaných řas. Ty jsou schopny ze sebe vydat 4 mikrolitry paliva z jednoho litru za hodinu. Toto množství představuje 10 0000 litrů paliva z hektaru za rok. Nové sinice z Kalifornie by z jednoho hektaru měly poskytnout o více než třetinu biopaliva více.


Pramen:
University of California - Los Angeles


 

1 člověk ohodnotil tento článek.

Komentáře

1 Sipon Sipon | 25. března 2016 v 12:52 | Reagovat

Měřící systém pro zjišťování obsahu Oxidu uhličitého i dalších bioplynů:

http://www.biogasanalyzers.com/#air-lf

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama