Wetenschappers hebben een nieuwe technologie laten zien waarmee bio-engineered bacteriën kosteneffectieve chemicaliën/polymeren kunnen maken uit hernieuwbare bronnen plant bronnen
lignine is een materiaal dat deel uitmaakt van de celwand van alle droge landplanten. Het is na cellulose het meest voorkomende natuurlijke polymeer. Dit materiaal is het enige polymeer dat in planten wordt aangetroffen en dat niet uit koolhydraten bestaat (suiker) monomeren. Lignocellulosebiopolymeren geven vorm, stabiliteit, sterkte en stijfheid aan planten. Lignocellulosebiopolymeren bestaan uit drie hoofdcomponenten: cellulose en hemicellulose vormen een raamwerk waarin lignine als een soort connector is opgenomen en zo de celwand verstevigt. Celwandverhouting maakt planten resistent tegen wind en ongedierte en helpt ze te rotten. Lignine is een enorme, maar zeer onderbenutte hernieuwbare energiebron. Lignine, dat tot 30 procent van de lignocellulosebiomassa vertegenwoordigt, is een onontgonnen schat – althans vanuit chemisch oogpunt. De chemische industrie is grotendeels afhankelijk van koolstofverbindingen voor het maken van verschillende producten zoals verf, kunstmatige vezels, meststoffen en vooral plastic. Deze industrie gebruikt wel een aantal hernieuwbare hulpbronnen zoals plantaardige olie, zetmeel, cellulose enz., maar dit omvat slechts 13 procent van alle verbindingen.
Lignine, een veelbelovend alternatief voor aardolie voor het maken van producten
In feite is lignine de enige duurzame bron op aarde die een groot aantal aromatische verbindingen bevat. Dit is van belang omdat aromatische verbindingen doorgaans uit de niet-hernieuwbare aardolie worden gewonnen en vervolgens voor de productie worden gebruikt kunststoffen, verven enz. Het potentieel van lignine is dus zeer hoog. In vergelijking met aardolie, een niet-hernieuwbare fossiele brandstof, worden lignocellulosen ervan afgeleid hout, stro of Miscanthus, hernieuwbare bronnen. Lignine kan worden verbouwd in velden en bossen en is over het algemeen klimaatneutraal. Lignocellulose wordt de afgelopen decennia beschouwd als een serieus alternatief voor aardolie. Aardolie drijft momenteel de chemische industrie aan. Aardolie is een grondstof voor veel basischemicaliën, die vervolgens worden gebruikt om nuttige producten te maken. Maar aardolie is een niet-hernieuwbare bron en wordt steeds schaarser. Daarom moet de nadruk worden gelegd op het vinden van hernieuwbare bronnen. Dit brengt lignine in beeld en lijkt een veelbelovend alternatief.
Lignine zit vol met hoge energie, maar het terugwinnen van deze energie is ingewikkeld en een duur proces en dus zelfs biobrandstof die wordt gegenereerd, aangezien het eindresultaat over het algemeen erg duur is en de momenteel gebruikte "transportenergie" niet economisch kan vervangen. Er zijn veel benaderingen onderzocht voor het ontwikkelen van kosteneffectieve manieren om lignine af te breken en om te zetten in waardevolle chemicaliën. Er zijn echter verschillende beperkingen die de conversie van een beetje plantaardig materiaal zoals lignine beperken tot gebruik als alternatieve energiebron of zelfs proberen het kosteneffectiever te maken. Een recent onderzoek heeft met succes bacteriën (E. Coli) zodanig ontwikkeld dat ze fungeren als een efficiënte en productieve celfabriek voor bioconversie. Bacterie groeien en meerdere zeer snel en ze zijn bestand tegen zware industriële processen. Deze informatie werd gecombineerd met begrip van natuurlijk beschikbare lignine-afbrekers. Het werk is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Science USA.
Het team van onderzoekers onder leiding van dr. Seema Singh van de Sandia National Laboratories heeft drie belangrijke problemen opgelost die zich voordoen bij het omzetten van lignine in platformchemicaliën. Het eerste grote obstakel is dat bacteriën E.Coli produceert doorgaans niet de enzymen die nodig zijn voor de omzetting. Wetenschappers hebben de neiging dit probleem van het maken van enzymen op te lossen door een ‘inductor’ aan de fermentatiering toe te voegen. Deze inductoren zijn effectief, maar erg duur en passen daarom niet goed in het concept van bioraffinaderijen. Onderzoekers probeerden een concept uit waarbij een van lignine afgeleide verbinding zoals vanille werd gebruikt als substraat en als inductor door de bacteriën E coli. Dit zou de noodzaak van een dure inductor omzeilen. Maar zoals de groep ontdekte, was vanille geen goede keuze, vooral omdat zodra lignine afbreekt, vanille in grote hoeveelheden wordt geproduceerd en de functie van E.Coli begint te remmen, dwz dat vanille toxiciteit begint te creëren. Maar dit werkte in hun voordeel toen ze de bacteriën. In het nieuwe scenario wordt juist de chemische stof die giftig is voor de E.Coli gebruikt om het complexe proces van “ligninevalorisatie” op gang te brengen. Zodra vanille aanwezig is, activeert het de enzymen en beginnen bacteriën vanilline om te zetten in catechol, wat de gewenste chemische stof is. Bovendien bereikt de hoeveelheid vanilline nooit het giftige niveau, omdat deze in het huidige systeem automatisch wordt gereguleerd. Het derde en laatste probleem betrof de efficiëntie. Het conversiesysteem was traag en passief, dus onderzoekers keken naar effectievere transporters van andere bacteriën en ontwikkelden deze in E. Coli, die het proces vervolgens versnelde. Het overwinnen van toxiciteits- en efficiëntieproblemen door dergelijke innovatieve oplossingen kan ertoe bijdragen dat de productie van biobrandstoffen een economischer proces wordt. En het verwijderen van een externe inductor, samen met de integratie van autoregulering, kan het proces van het maken van biobrandstoffen verder optimaliseren.
Het is algemeen bekend dat wanneer lignine eenmaal is afgebroken, het in staat is om waardevolle platformchemicaliën te leveren of liever te "schenken", die vervolgens kunnen worden omgezet in nylon, kunststoffen, farmaceutische producten en andere belangrijke producten die momenteel worden afgeleid van aardolie, een niet -hernieuwbare energiebron. Dit onderzoek is relevant om een stap te zijn in het onderzoeken en ontwikkelen van kosteneffectieve oplossingen voor biobrandstof en bioproductie. Met behulp van bio-engineeringtechnologie kunnen we grotere hoeveelheden platformchemicaliën en verschillende andere nieuwe eindproducten produceren, niet alleen met bacteriële E.Coli, maar ook met andere microbiële gastheren. Toekomstig onderzoek van de auteurs zal zich richten op het aantonen van een economische productie van deze producten. Dit onderzoek heeft een enorme impact op energieopwekkingsprocessen en de uitbreiding van het scala aan mogelijkheden voor groene producten. De auteurs merken op dat lignocellulose in de nabije toekomst zeker een aanvulling zou moeten zijn op aardolie, zo niet vervangen.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
WuW et al. 2018. Op weg naar engineering van E. coli met een autoregulerend systeem voor ligninevalorisatie', Proceedings van de National Academy of Sciences. 115 (12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
