Несъедобные растения являются многообещающей альтернативой сырой нефти, но их неоднородный состав может стать проблемой для получения высоких урожаев. Ученые разработали платформу, которая объединяет различные микроорганизмы. Именно они, согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, имеют решающее значение для превращения биомассы в биотопливо.

В условиях, когда гонка за возобновляемыми источниками энергии идет полным ходом, заводы предлагают один из самых многообещающих кандидатов на замену сырой нефти. В частности, лигноцеллюлозу — биомассу из несъедобных растений, таких как трава, листья и древесина, которые не конкурируют с пищевыми культурами. Она широко распространена и возобновляема, а также представляет собой отличный альтернативный источник нефти для целого ряда химических веществ.

Чтобы извлечь из нее полезные химические вещества, лигноцеллюлозу предварительно обрабатывают, чтобы «разбить» ее и облегчить дальнейшую переработку. Затем он подвергается воздействию ферментов, солюбилизирущих целлюлозу, которая представляет собой цепь связанных сахаров (глюкозы). Этот этап может быть выполнен путем добавления микроорганизма к предварительно обработанной лигноцеллюлозе, который естественным образом продуцирует необходимые ферменты, расщепляющие целлюлозу.

Ферменты «расщепляют» целлюлозу и превращают ее в отдельные сахара, которые затем могут быть переработаны для получения ключевого химического вещества: молочной кислоты. Этот второй шаг также осуществляется с помощью микроорганизма, бактерии, которая «поедает» сахара и производит молочную кислоту, когда вокруг нет кислорода.

На последнем этапе этой микробиологической сборочной линии молочная кислота может быть переработана для получения целого ряда полезных химикатов.

Команда ученых из Бернского университета прикладных наук (BFH), Кембриджского университета и EPFL сделала эту сборочную цепочку возможной в одной установке и продемонстрировала, что это преобразование можно сделать более универсальным и модульным. Легко заменяя микроорганизмы на заключительном этапе обработки молочной кислоты, они могут производить целый ряд полезных химикатов.

Иллюстрация различных химикатов, которые можно производить из бука с использованием лактатной платформы. Предоставлено: Р.Л. Шахаб / Science

Исследователи представляют то, что они называют «лактатной платформой», которая, по сути, представляет собой пространственно разделенный биореактор, позволяющий сосуществовать множеству различных микроорганизмов, каждый из которых выполняет один из трех этапов обработки лигноцеллюлозы.

Платформа состоит из трубчатой мембраны, через которую проходит определенное количество кислорода. На поверхности пробирки можно выращивать грибок, который потребляет весь кислород, проходящий через мембрану, и обеспечивает ферменты, которые расщепляют целлюлозу на сахара. Еще дальше от мембраны и, следовательно, в атмосфере без кислорода растут бактерии, которые «съедают» сахара и превращают их в молочную кислоту.

Но нововведение, которое сделал автор исследования, заключается на последнем этапе. Используя различные микроорганизмы, ферментирующие молочную кислоту, он смог произвести различные полезные химические вещества. Одним из примеров была масляная кислота, которую можно использовать в биопластике, а лаборатория Лютербахера недавно показала, что ее можно даже превратить в топливо для реактивных двигателей.

Работа демонстрирует преимущества смешанных микробных культур при переработке биомассы лигноцеллюлозы: модульность и способность превращать сложные субстраты в ценные платформенные химические вещества.