Но с текущими ценами на нефть, колеблющимися доллары за приблизительно 50$ баррель, это, вероятно, не будет в ближайшее время.Несмотря на несколько основных национальных инициатив по исследованию, никто не был в состоянии придумать прорыв возобновляемая технология биотоплива, которая привела бы к более дешевой альтернативе бензину.Та проблема исследования принудила ученых ASU, Рида Картрайта и Сюань Вана, вступать в драку, объединившись, чтобы попытаться прорваться через инновационное узкое место для возобновляемого биопроизводства топлива и химикатов.«Моя лаборатория очень интересовалась преобразованием биомассы, такой как сельскохозяйственные отходы и даже углекислый газ в полезные и возобновляемые биооснованные продукты», сказал Ван, доцент в Школе Наук о жизни. «Как микробиолог, я интересуюсь управлением микробами как биокатализаторы, чтобы сделать лучшую работу».
Чтобы сделать так, они изучили новый подход – использование эмпирической силы эволюции, чтобы уговорить природу в раскрытие ответа.Выращивая бактерии по поколениям при условиях, которыми специально управляют, в баках брожения, у них есть развитые бактерии пробирки, чтобы лучше волновать сахар, полученный из биомассы – богатый, потенциальный возобновляемый источник энергии для производства биотоплива и химикатов.Их результаты недавно появились в выпуске онлайн PNAS.Исследовательская группа включает постдокторского ученого Кристиана Сиверта, Lizbeth Nieves, Ларри Пэниона, Тейлора Лоеффлера и Чендлера Морриса, и была во главе с Ридом Картрайтом и Сюань Ваном в сотрудничестве между Школой ASU Наук о жизни и Институтом Биодизайна.
Сладкая проблемаОбращение заводов идеально. Просто добавьте немного углекислого газа, водного и многочисленного солнечного света, и престо! У общества есть богатый новый источник возобновляемого углерода, чтобы использовать.
Этанол из кукурузы (использующий крахмал от зерна для производства алкоголя, прежде всего, в США) был одной крупнейшей авеню биотоплива и сахарным тростником другая альтернатива (широко распространенный в Бразилии), но есть большой недостаток. Превращение богатых сахаром ядер зерна или сахарного тростника в этанол конкурирует с поставкой продовольствия.Таким образом, ученые за прошлые несколько десятилетий мигрировали к исследованию в области преобразования непродовольственных основанных растительных материалов в биотопливо и химикаты.
Эти так называемые lignocellulosic биомассы, как высокий switchgrasses и несъедобные части зерна и сахарного тростника (stovers, шелуха, выжимки, и т.д.) богаты xylose, богатым энергией сахарным родственником с пятью углеродом глюкозы.У биомассы Lignocellulosic есть изобилие глюкозы и xylose, но промышленный E coli напряжения не может использовать xylose, потому что, когда глюкоза доступна, это выключает использование xylose.
И так, до настоящего времени, это было неэффективное и дорогостоящее, чтобы полностью получить и преобразовать xylose в биотопливо.Настольная эволюция
Ван и Каретник хотели отжать больше энергии от xylose сахара. Чтобы сделать так, они бросили вызов E coli бактерии, которые могли процветать удобно на глюкозе – и переключить бульон питательной среды, чтобы вырасти только на xylose.Бактерии были бы вынуждены приспособиться к новой поставке продовольствия или проиграть соревнование по росту.
Они начали с единственной колонии бактерий, которые были генетически идентичны и управляли тремя отдельными экспериментами эволюции с xylose. Сначала, бактерии росли очень медленно.
Но замечательный, в не больше, чем 150 поколениях, бактерии приспособились, и в конечном счете, учились процветать в xylose бульоне.Затем, они изолировали ДНК от бактерий и использовали технологию упорядочивающего ДНК следующего поколения, чтобы исследовать изменения в геномах бактерий. Когда они читают данные о ДНК вслух, они могли определить контрольные признаки эволюции в действии, мутациях.
Природа находит путьБактерии, когда брошено вызов, беспорядочно видоизменили свою ДНК, пока она не могла приспособиться к новым условиям.
Они держались за самые пригодные мутации по поколениям, пока они не стали фиксированными выгодными мутациями.И в каждом случае, когда брошено вызов с xylose, бактерии могли вырасти хорошо. Их следующая задача состояла в том, чтобы узнать то, чем были эти выгодные мутации и как сделал они работают.
Чтобы стать лучше на xylose, три бактериальных E. coli линии «обнаружили» различный набор мутаций к тем же самым генам. Единственные мутации исследовательская группа определила всех, могли увеличить xylose брожение, изменив бактериальный сахарный метаболизм.«Это предполагает, что есть потенциально многократные эволюционные решения для той же самой проблемы, и генетическое образование бактерии может предопределить свои эволюционные траектории», сказали Каретник, исследователь в Институте Биодизайна ASU и доцент в Школе Наук о жизни.Самая интересная мутация произошла в регулирующем белке под названием XylR, нормальная функция которого должна управлять xylose использованием.
Всего два выключателя аминокислоты в XylR могли увеличить xylose использование и выпустить репрессию глюкозы, даже в невидоизмененных оригинальных хозяевах.Через некоторые умные генетические уловки, когда мутант XlyR был размещен назад в нормальном напряжении «дикого типа» или промышленном E. coli биокатализатор, это могло также теперь вырасти на xylose и глюкозе, значительно улучшив урожай. Команда Вана видела до 50-процентного увеличения продукта после 4 дней брожения.
Вместе, Ван и изобретение Каретника теперь значительно повысили потенциал промышленного E. coli, чтобы использоваться для производства биотоплива от lignocellulosic материалов. Кроме того, они могли использовать этот тот же самый генетический подход для другого E. coli напряжения для различных продуктов.Arizona Technology Enterprises (AzTE) регистрирует невременный патент для их открытия. Ван надеется, что они могут сотрудничать с промышленностью, чтобы расширить их технологию и видеть, увеличит ли это изобретение экономическую жизнеспособность для биопроизводства.
«С этими новыми результатами я полагаю, что мы решили одно большое, постоянное узкое место в этой области», завершил Ван.