O que o combustível de aviação tem em comum com meias-calças e garrafas plásticas de refrigerante? Todos são produtos derivados do petróleo. Os cientistas do Sandia National Laboratories demonstraram uma nova tecnologia baseada em bactérias modificadas pela bioengenharia que poderia tornar economicamente viável a produção dos três a partir de fontes vegetais renováveis.

Convertendo de forma econômica e eficiente matéria vegetal resistente, chamada lignina, há muito tempo é um obstáculo para um uso mais amplo da fonte de energia e para torná-la competitiva em termos de custos. Reunindo mecanismos de outros degradadores de lignina conhecidos, Sandia bioengenheira Seema Singh e dois pesquisadores de pós-doutorado, Weihua Wu, agora na Lodo Therapeutics Corp., e Fang Liu, transformaram a E. coli em uma fábrica de células de bioconversão eficiente e produtiva.

"Por anos, estivemos pesquisando maneiras econômicas de quebrar a lignina e convertê-la em produtos químicos valiosos de plataforma, "Singh disse." Nós aplicamos nosso conhecimento de degradadores naturais de lignina para E. coli porque essa bactéria cresce rápido e pode sobreviver a processos industriais severos. "

O trabalho, "Rumo à Engenharia E. coli com Sistema de Auto-Regulamentação para Valorização da Lignina, "foi publicado recentemente no Anais da Academia Nacional de Ciências e foi apoiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório de Sandia.

Projetando um processo caro para a lucratividade

A lignina é o componente das paredes celulares das plantas que lhes dá uma força incrível. Está cheio de energia, mas chegar a essa energia é tão caro e complexo que o biocombustível resultante não pode competir economicamente com outras formas de energia de transporte.

Uma vez dividido, a lignina tem outros presentes para oferecer na forma de produtos químicos valiosos que podem ser convertidos em náilon, plásticos, produtos farmacêuticos e outros produtos valiosos. Pesquisas futuras podem se concentrar em demonstrar a produção desses produtos, pois poderiam ajudar a equilibrar a economia do biocombustível e da bioprodução. Ou como Singh coloca, “eles valorizam a lignina”.

Resolvendo três problemas:custo, toxicidade e velocidade

Singh e sua equipe resolveram três problemas com a transformação de lignina em produtos químicos de plataforma. O primeiro foi o custo. E. coli normalmente não produzem as enzimas necessárias para o processo de conversão. Os cientistas devem persuadir as bactérias a produzir as enzimas adicionando algo chamado indutor ao caldo de fermentação. Embora eficaz, para ativar a produção de enzimas, indutores podem ser tão caros que são proibitivos para biorrefinarias.

A solução foi "contornar a necessidade de um indutor caro projetando a E. coli para que os compostos derivados da lignina, como a vanilina, sirvam tanto como substrato quanto como indutor", disse Singh.

A vanilina não é uma escolha óbvia para substituir um indutor. O composto é produzido conforme a lignina se decompõe e pode, em concentrações mais altas, inibir o próprio E. coli trabalhando para convertê-lo. Isso colocou o segundo problema:toxicidade.

"Nossa engenharia vira de cabeça para baixo o problema de toxicidade do substrato, permitindo que o próprio produto químico que é tóxico para o E. coli para iniciar o complexo processo de valorização da lignina. Uma vez que a vanilina no caldo de fermentação ativa as enzimas, a E. coli começa a converter a vanilina em catecol, nosso produto químico desejado, e a quantidade de vanilina nunca atinge um nível tóxico, "Singh disse." É auto-regulado.

O terceiro problema era a eficiência. Enquanto a vanilina no caldo de fermentação se move através das membranas das células para ser convertida pelas enzimas, foi um lento, movimento passivo. Os pesquisadores procuraram transportadores eficazes de outras bactérias e micróbios para acelerar este processo, Disse Wu.

"Pegamos emprestado um projeto de transportador de outro micróbio e o projetamos para E. coli , que ajuda a bombear a vanilina para as bactérias, "Liu disse." Parece muito simples, mas foram necessários muitos ajustes para que tudo funcionasse em conjunto. "

Soluções de engenharia como essas, que superam os problemas de toxicidade e eficiência têm o potencial de tornar a produção de biocombustíveis economicamente viável. O indutor externo livre, O método de autorregulação para valorizar a lignina é apenas uma das formas pelas quais os pesquisadores estão trabalhando para otimizar o processo de fabricação de biocombustíveis.

"Encontramos esta peça do quebra-cabeça da valorização da lignina, fornecendo um ótimo ponto de partida para pesquisas futuras em escalabilidade, soluções econômicas, "Disse Singh." Agora podemos trabalhar na produção de maiores quantidades de produtos químicos de plataforma, caminhos de engenharia para novos produtos finais, e considerando outros hospedeiros microbianos que não E. coli . "