211service.com
Kukurūzai, gruntuoti biokurui gaminti
Siekdami padidinti šalies biokuro pasiūlą, mokslininkai sukūrė tris genetiškai modifikuotų kukurūzų štamus, kad pagamintų fermentus, skaidančius augalo celiuliozę į cukrų, kurį galima fermentuoti į etanolį. Tokių fermentų įtraukimas tiesiai į augalus galėtų sumažinti celiuliozės pavertimo biokuru sąnaudas.
Ūgliai ir lapai: Siekdama palengvinti celiuliozės skaidymą į fermentuojamus cukrus etanoliui gaminti, Mariam Sticklen iš Mičigano valstijos universiteto genetiškai modifikuoja kukurūzus su genais, kurie gamina celiuliozę skaidančius fermentus augalo stiebuose ir lapuose. Fermentai aktyvuojami tik nuėmus kukurūzų derlių, augalą sumalant.
Praėjusiais metais pagal naujus federalinius reglamentus buvo reikalaujama, kad iki 2022 m. atsinaujinančio kuro gamyba kasmet padidėtų iki 36 milijardų galonų – beveik penkis kartus daugiau nei dabar. Šiandien beveik visas kuro etanolis Jungtinėse Valstijose gaminamas iš kukurūzų branduolių. Siekdami patenkinti reikiamą padidėjimą, mokslininkai kreipiasi į kitus šaltinius, pavyzdžiui, celiuliozę, sudėtingą angliavandenį, esantį visuose augaluose. Kukurūzų lapai ir stiebai, prerijų žolės ir medžio drožlės yra pagrindiniai celiuliozės tiekimo kandidatai. Celiuliozės etanolis turi daug pranašumų, palyginti su gaminamu iš kukurūzų branduolių. Celiuliozė yra ne tik itin gausi ir nebrangi; tyrimai taip pat rodo, kad gaminant ir naudojant etanolį iš celiuliozės gali susidaryti mažiau šiltnamio efektą sukeliančių dujų.
Tačiau didžiausia kliūtis, neleidžianti celiuliozės etanolio naudoti komerciškai, yra celiuliozės skilimas. Celiuliozę skaidančius fermentus, vadinamus celiuliazėmis, paprastai gamina mikrobai, auginami dideliuose bioreaktoriuose, o tai brangus ir daug energijos reikalaujantis procesas. Kad celiuliozės etanolis būtų tikrai konkurencingas, mes tikrai turime sumažinti šias išlaidas, sako Michaelas J. Blaylockas, sistemos plėtros viceprezidentas Edenspace, pasėlių biotechnologijų įmonė, įsikūrusi Manhetene, KS.
Mariam Sticklen, pasėlių ir dirvožemio mokslo profesorė Mičigano valstijos universitete Rytų Lansinge, suprato, kad ji galėtų sumažinti fermentų gamybos sąnaudas, kai kukurūzų gamyklos gamina pačius fermentus. Užuot pasikliavę daug energijos reikalaujančiu jų gamybos procesu bioreaktoriuose, augalai fermentams gaminti naudoja laisvą saulės energiją, sako ji.
Paprastai celiuliozei suskaidyti reikalingos trys skirtingos celiulazės. Praėjusiais metais Sticklenas pranešė apie kukurūzų modifikavimą naudojant celiulazės geną, kuris ilgas celiuliozės grandines supjausto į mažesnius gabalus. Genas atsirado iš mikrobo, gyvenančio karštoje versmėje. Po mėnesio Sticklenas į kukurūzų genomą įterpė geną, gautą iš dirvožemio grybelio. Šis genas koduoja fermentą, kuris suskaido mažesnius celiuliozės gabalus į gliukozės molekulių poras. Šiomis naujausiomis pastangomis Sticklen modifikavo kukurūzus, kad pagamintų fermentą, kuris suskaido gliukozės poras į atskiras cukraus molekules; fermentą natūraliai gamina mikrobas, gyvenantis karvės skrandyje. Galutinis rezultatas: trys kukurūzų atmainos, kurių kiekviena gamina fermentą, būtiną visiškam celiuliozės suskaidymui.
Kad būtų išvengta galimybės perkelti genus į kitus pasėlius ar laukinius augalus, fermentai gaminami tik augalo lapuose ir stiebuose, o ne jo sėklose, šaknyse ar žiedadulkėse, sako Sticklenas. Negana to, kad kukurūzai nevirškintų savęs, ji suprojektavo augalus taip, kad fermentai kauptųsi tik specialiuose ląstelių viduje esančiuose sandėliavimo skyriuose, vadinamuose vakuolėmis. Celiulazės išsiskiria tik nuėmus augalą, perdirbant. Sticklen aprašė savo modifikuotus pasėlius praėjusią savaitę Amerikos chemijos draugijos nacionaliniame susirinkime Naujajame Orleane.
Nors į vieną augalą įmanoma įtraukti visus tris genus, sako Sticklen, naudojant tris skirtingas kukurūzų veisles, kurių kiekviena turi skirtingą geną, leis jai kontroliuoti celiuliozės pavertimą cukrumi. Preliminarūs tyrimai rodo, kad fermentai yra tokie pat veiksmingi, kaip ir parduodami fermentai, kai jie derinami santykiu 1:4:1, sako ji. Rezultatai rodo, kad sumaišius tris skirtingus augalus tais pačiais santykiais, bus pasiektas geriausias rezultatas.
Manau, kad fermentų skirstymo į vakuolėse strategija yra puiki, sako Masačusetso universiteto Amherst mikrobiologė Susan Leschine. Turiu klausimą, ar fermentai veikia tikroviškomis sąlygomis? Pavyzdžiui, skirtingos mikrobų rūšys išskiria savo celiulazes, kurios veikia sinergiškai, kad suskaidytų celiuliozės pluoštus. Neaišku, sako Leschine, kaip gerai fermentas, paimtas iš mikrobo, gyvenančio karštoje versmėje, veiks su fermentu, paimtu iš dirvožemio grybelio. Šie skirtingi fermentai gali būti neaktyvūs tomis pačiomis sąlygomis, sako ji.
„Edenspace“, kuri šiuo metu kuria „Sticklen“ technologiją, tikisi per metus pradėti jos genetiškai modifikuotų kukurūzų lauko bandymus ir per ateinančius trejus metus technologiją komercializuoti, sako Blaylockas. Šią strategiją įgyvendina ne viena įmonė: Medforde, MA įsikūrusi žemės ūkio biotechnologijų įmonė Agrivida taip pat genetiškai modifikuoja kukurūzus, kad supaprastintų celiuliozės etanolio gamybą.
Tai tikrai vertas kelias, sako Michaelas Ladischas, žemės ūkio ir biologijos inžinerijos profesorius Purdue universitete, Vakarų Lafajete, IN. Tačiau dienos pabaigoje tai sudėtingiau, nei atrodo. Pagrindinė kliūtis yra rasti būdų, kaip užtikrinti, kad fermentai išgyventų cheminį ir fizinį išankstinį apdorojimą, reikalingą ligninui – kietam polimerui iš ląstelių sienelių, suteikiančio augalams tvirtumo – pašalinti iš celiuliozės pluoštų, sako Ladischas, kuris šiuo metu atostogauja Purdue eis vyriausiuoju techniniu pareigūnu Mascoma, biokuro įmonėje, įsikūrusioje Braitone, MA.
Vienas iš sprendimų yra suprojektuoti augalus taip, kad jiems reikia tik švelnaus išankstinio apdorojimo. Pavyzdžiui, „Sticklen“ stengiasi sumažinti lignino kiekį kukurūzuose, taip pat modifikuoti molekulinę lignino konfigūraciją, kuri palengvintų lignino skilimą. Nors šiuo metu jos darbas yra orientuotas į kukurūzų modifikavimą, Sticklen teigia, kad ilgainiui ši technologija gali būti perkelta ir į kitas kultūras, tokias kaip žolė.