科学者たちは、生物工学的に作られた細菌が再生可能エネルギーから費用効率の高い化学物質/ポリマーを製造できる新技術を示した 工場 ソース
リグニン すべての乾燥陸上植物の細胞壁の構成要素である物質です。セルロースに次いで2番目に豊富な天然ポリマーです。この物質は植物に含まれる唯一のポリマーであり、炭水化物で構成されていません（シュガー）モノマー。リグノセルロース生体高分子は、植物に形状、安定性、強度、剛性を与えます。リグノセルロース生体高分子は 30 つの主成分で構成されています。セルロースとヘミセルロースは骨格を形成し、その中にリグニンが一種のコネクターとして組み込まれ、細胞壁を固めます。細胞壁の木質化により、植物は風や害虫に対する抵抗力が増し、腐りにくくなります。リグニンは広大ですが、あまり活用されていない再生可能エネルギー資源です。リグノセルロースバイオマスの最大 13 パーセントを占めるリグニンは、少なくとも化学的な観点からは未利用の宝物です。化学産業は、塗料、人工繊維、肥料、そして最も重要なプラスチックなどのさまざまな製品を製造するために、主に炭素化合物に依存しています。この業界では植物油、デンプン、セルロースなどの再生可能資源が使用されていますが、これは全化合物の XNUMX% にすぎません。
製品を作るための石油の有望な代替品であるリグニン
実際、リグニンは、多数の芳香族化合物を含む地球上で唯一の再生可能資源です。芳香族化合物は一般に再生不可能な資源である石油から抽出され、生産に使用されるため、これは重要です。 プラスチックしたがって、リグニンの可能性は非常に高いです。再生不可能な化石燃料である石油と比較して、リグノセルロースは 木材、再生可能な資源であるわらまたはススキ。リグニンは野原や森林で栽培でき、一般に気候に対して中立です。リグノセルロースは、過去数十年にわたって石油の本格的な代替品として検討されてきました。現在、化学産業を牽引しているのは石油です。石油は多くの基礎化学物質の原料であり、その後、有用な製品を生産するために使用されます。しかし、石油は再生不可能な資源であり、減少しているため、再生可能な資源を見つけることに重点を置く必要があります。これにより、非常に有望な代替品としてリグニンが登場します。
リグニンは高エネルギーに満ちていますが、このエネルギーの回収は複雑で費用のかかるプロセスであるため、最終結果として生成されるバイオ燃料でさえ、一般にコストが非常に高く、現在使用されている「輸送エネルギー」を経済的に置き換えることはできません。 リグニンを分解し、それを価値のある化学物質に変換する費用効果の高い方法を開発するために、多くのアプローチが研究されてきました。 ただし、いくつかの制限により、リグニンなどのタッチ植物物質の代替エネルギー源としての使用に制限されているか、より費用効果の高いものにしようとさえしています。 最近の研究では、バクテリア（E. Coli）を、効率的で生産的な生物変換細胞工場として機能するように設計することに成功しました。 細菌 成長し、非常に速く増殖し、過酷な産業プロセスに耐えることができます。 この情報は、天然に利用可能なリグニン分解物の理解と組み合わされました。 作品はに掲載されました 米国科学アカデミー紀要。
サンディア国立研究所のシーマ・シン博士率いる研究チームは、リグニンをプラットフォーム化学物質に変える際に遭遇する 3 つの主要な問題を解決しました。最初の大きなハードルは、 細菌 大腸菌は通常、変換に必要な酵素を生成しません。科学者は、発酵リングに「誘導物質」を追加することで、酵素を作るというこの問題を解決する傾向があります。これらの誘導剤は効果的ですが、非常に高価であるため、バイオリファイナリーの概念にはあまり適合しません。研究者らは、バニラのようなリグニン由来の化合物を基質および誘導剤として使用するという概念を、工学的に操作することによって試みました。 細菌 大腸菌。これにより、高価な誘導剤の必要性が回避されます。しかし、研究グループが発見したように、特にリグニンが分解されるとバニラが大量に生成され、大腸菌の機能を阻害し始めるため、バニラは良い選択ではありませんでした。つまり、バニラは毒性を生み出し始めます。しかし、彼らが設計したとき、これは彼らに有利に働きました。 細菌。新しいシナリオでは、大腸菌にとって有毒な化学物質そのものが、「リグニンの価値化」という複雑なプロセスを開始するために使用されます。バニラが存在すると、酵素が活性化され、細菌がバニリンを目的の化学物質であるカテコールに変換し始めます。また、現在のシステムではバニリンの量が自動調整されているため、バニリンの量が有毒レベルに達することはありません。最後の 3 番目の問題は効率の問題でした。変換システムは遅く受動的であったため、研究者は他の細菌のより効果的なトランスポーターを調べ、それを大腸菌に組み込んでプロセスを迅速に追跡しました。このような革新的なソリューションによって毒性と効率の問題を克服することは、バイオ燃料の生産をより経済的なプロセスにするのに役立ちます。また、外部誘導因子を除去し、自動制御を組み込むことで、バイオ燃料製造プロセスをさらに最適化できます。
リグニンが分解されると、貴重なプラットフォーム化学物質を提供するか、むしろ「与える」能力があり、ナイロン、プラスチック、医薬品、および現在石油に由来するその他の重要な製品に変換できることは十分に確立されています。 -再生可能エネルギー源。 この研究は、バイオ燃料とバイオ生産のための費用効果の高いソリューションの研究と開発に向けた一歩となることに関連しています。 バイオエンジニアリング技術を使用して、細菌の大腸菌だけでなく、他の微生物宿主を使用して、大量のプラットフォーム化学物質やその他のいくつかの新しい最終製品を生産することができます。 著者の将来の研究は、これらの製品の経済的な生産を実証することに焦点を当てるでしょう。 この研究は、エネルギー生成プロセスとグリーン製品の可能性の範囲の拡大に大きな影響を与えます。 著者らは、近い将来、リグノセルロースは、石油に取って代わらないとしても、間違いなく石油を補完するはずであると述べています。
***
{引用元のリストにある以下のDOIリンクをクリックすると、元の研究論文を読むことができます}
ソース
Wu W etal。 2018.リグニンの価値を高めるための自動調節システムを備えた大腸菌のエンジニアリングに向けて '、 米国科学アカデミー紀要。 115（12）。 https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
