Wetenschappers hebben een nieuwe technologie aangetoond waarmee genetisch gemodificeerde bacteriën kosteneffectieve chemicaliën/polymeren kunnen produceren uit hernieuwbare plantaardige bronnen.
Lignine is een materiaal dat een bestanddeel vormt van de celwand van alle landplanten. Het is na cellulose het meest voorkomende natuurlijke polymeer. Dit materiaal is het enige polymeer in planten dat niet is samengesteld uit koolhydraatmonomeren ( suikers ). Lignocellulosebiopolymeren geven planten vorm, stabiliteit, sterkte en stijfheid. Lignocellulosebiopolymeren bestaan uit drie hoofdbestanddelen: cellulose en hemicellulose vormen een raamwerk waarin lignine is opgenomen als een soort verbinding, waardoor de celwand wordt verstevigd. Lignificatie van de celwand maakt planten bestand tegen wind en plagen en voorkomt rotting. Lignine is een enorme, maar zeer onderbenutte hernieuwbare energiebron. Lignine, dat tot 30 procent van de lignocellulosebiomassa vertegenwoordigt, is een onbenutte schat – althans vanuit chemisch oogpunt. De chemische industrie is grotendeels afhankelijk van koolstofverbindingen voor de productie van verschillende producten zoals verf, kunstvezels, meststoffen en vooral plastic. Deze industrie gebruikt weliswaar enkele hernieuwbare grondstoffen zoals plantaardige olie, zetmeel, cellulose, enz., maar dit vertegenwoordigt slechts 13 procent van alle verbindingen.
Lignine, een veelbelovend alternatief voor aardolie voor het maken van producten
Lignine is feitelijk de enige hernieuwbare bron op aarde die een groot aantal aromatische verbindingen bevat. Dit is belangrijk omdat aromatische verbindingen doorgaans worden gewonnen uit de niet-hernieuwbare bron aardolie en vervolgens worden gebruikt voor de productie van plastics , verf, enzovoort. Het potentieel van lignine is dus zeer groot. In tegenstelling tot aardolie, een niet-hernieuwbare fossiele brandstof, wordt lignocellulose gewonnen uit hout , stro of Miscanthus, wat hernieuwbare bronnen zijn. Lignine kan worden geteeld op akkers en in bossen en is over het algemeen klimaatneutraal. Lignocellulose wordt de afgelopen decennia beschouwd als een serieus alternatief voor aardolie. Aardolie is momenteel de drijvende kracht achter de chemische industrie. Aardolie is een grondstof voor veel basischemicaliën die vervolgens worden gebruikt om nuttige producten te produceren. Maar aardolie is een niet-hernieuwbare bron en de voorraden nemen af, daarom moet de focus liggen op het vinden van hernieuwbare bronnen. Dit brengt lignine in beeld als een veelbelovend alternatief.
Lignine zit boordevol energie, maar het terugwinnen ervan is een complex en kostbaar proces. Daardoor is zelfs de biobrandstof die als eindproduct wordt gegenereerd, over het algemeen erg duur en kan deze de huidige transportenergie niet economisch vervangen. Er is veel onderzoek gedaan naar kosteneffectieve manieren om lignine af te breken en om te zetten in waardevolle chemicaliën. Verschillende beperkingen hebben de omzetting van een taaie plantaardige stof zoals lignine als alternatieve energiebron of zelfs als kosteneffectievere methode echter belemmerd. Een recente studie heeft met succes bacteriën (E. coli) gemanipuleerd tot een efficiënte en productieve bioconversiecelfabriek. De bacteriën groeien en vermenigvuldigen zich zeer snel en zijn bestand tegen zware industriële processen. Deze informatie werd gecombineerd met kennis over van nature aanwezige lignine-afbrekers. Het onderzoek werd gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Science in de VS.
Het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Seema Singh van de Sandia National Laboratories heeft drie belangrijke problemen opgelost die zich voordoen bij de omzetting van lignine in platformchemicaliën. De eerste grote hindernis is dat de bacterie E. coli over het algemeen niet de enzymen produceert die nodig zijn voor de omzetting. Wetenschappers lossen dit probleem van enzymproductie meestal op door een "inductor" toe te voegen aan de fermentatiekring. Deze inductoren zijn effectief, maar erg duur en passen daarom niet goed in het concept van bioraffinaderijen. De onderzoekers probeerden een concept waarbij een van lignine afgeleide verbinding zoals vanille werd gebruikt als substraat én als inductor door de bacterie E. coli genetisch te modificeren. Dit zou de noodzaak van een dure inductor omzeilen. De groep ontdekte echter dat vanille geen goede keuze was, met name omdat vanille na de afbraak van lignine in grote hoeveelheden wordt geproduceerd en de werking van E. coli remt, oftewel toxiciteit veroorzaakt. Maar dit bleek in hun voordeel te werken toen ze de bacterie genetisch modificeerden . In het nieuwe scenario wordt juist de chemische stof die giftig is voor E. coli gebruikt om het complexe proces van "ligninevalorisatie" op gang te brengen. Zodra vanille aanwezig is, activeert het de enzymen en beginnen de bacteriën vanilline om te zetten in catechol, de gewenste chemische stof. Bovendien bereikt de hoeveelheid vanilline nooit een giftig niveau, omdat deze in het huidige systeem zelfregulerend is. Het derde en laatste probleem was de efficiëntie. Het omzettingssysteem was traag en passief, dus zochten onderzoekers naar effectievere transporteiwitten van andere bacteriën en brachten deze in E. coli in, waardoor het proces werd versneld. Het overwinnen van toxiciteits- en efficiëntieproblemen met dergelijke innovatieve oplossingen kan de productie van biobrandstof economischer maken. En het verwijderen van een externe inductor, samen met de incorporatie van zelfregulatie, kan het biobrandstofproductieproces 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.
***
Bron (nen)
Wu W et al. 2018. Naar het ontwikkelen van een autoregulerend systeem voor lignine-valorisatie in E. coli', Proceedings of the National Academy of Sciences . 115(12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
***
 monomers.){kind=link}