Na chwile obecna umiemywykorzystywać bakterie w celach zdrowotnych, ochronie środowiska i innych dziedzinach życia. Wykazaliśmy również możliwość ich udziału w efektywnej produkcji biopaliw. Krokiem na przód w tej dziedzinie są wyniki badań uzyskane przez naukowców z University of Rochester, którzy obrali sobie jako obiekt doświadczeń genom Clostridium thermocellum, która jest beztlenową bakterią zdolną wytwarzać etanol.

Obecnie nadal głównymi paliwami na rynku światowym są paliwa ze źródeł nieodnawialnych. Jednak coraz częściej słyszymy o biopaliwach. Stale rośnie powierzchnia obszarów, na których uprawia się rośliny takie jak: rzepak czy soję z przeznaczeniem na produkcję biopaliw. Produkujące je fabryki powstają w Europie w zaskakująco szybkim tempie. Poszukiwania optymalnych metod ich produkcji nadal są w toku. I tu, pomocne mogą okazać się właśnie drobnoustroje.

Naukowcy z University of Rochester, rozpoczęli badania bakterii w tym kierunku a dokładnie w celu uzyskania odpowiedzi na rosnące naciski ze strony państwa na poszukiwanie alternatywnych dróg produkcji paliw.

Zidentyfikowali oni po raz pierwszy geny bakteryjne odpowiedzialne za rozkład biomasy tj. traw i łodyg kukurydzy, prowadzący do powstania etanolu. Odpady, takie jak ścięte trawy czy skrawki drzewa do tej pory były trudne do przekształcenia w etanol. Dzięki niniejszemu odkryciu mogą one stać się cennym pożywieniem dla genetycznie ulepszonych bakterii.

Wyniki opisane w sprawozdaniu Państwowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych otwierają naukowcom drogę do zaprojektowania super-organizmów zdolnych do wytwarzania etanolu. Według Dawida H. Wu, profesora Wydziału Inżynierii Chemicznej, „jest to pierwsze odkrycie dające wiedzę o tym, jak bakteria dokonuje, spośród ponad 100 enzymów, wyboru tych odpowiednich do rozłożenia biomasy na dane składniki”. Pozostaje jedynie intensyfikacja procesu i produkcja etanolu znacznie wydajniejszą techniką niż jest to możliwe obecnie.

Obecnie pozyskiwanie etanolu z roślin jest trudne, a wytwarzanie go z kukurydzy jest najprostszą metodą. Na dużą skalę może spowodować wzrost cen kukurydzy, skrobi kukurydzianej a nawet karmionych nią zwierząt.

Jednakże pozyskiwanie etanolu z materiału roślinnego takiego jak łodygi kukurydzy i skrawki drewna odznacza się niską wydajnością, ponieważ celuloza roślinna jest substancją bardzo trudną do zdegradowania.

Technika Wu może okazać się znacznie efektywna niż tradycyjne metody. Polega ona na prowadzeniu procesu jednoetapowego, rozkładu i fermentacji celulozy przy udziale. Wu poddał analizie bakterie Clostridium thermocellum.

Są to bakterie posiadające zdolność przekształcenia biomasy z wydzieleniem etanolu w jednoetapowym procesie. Jednak nie są one wykorzystywane na skalę przemysłową ponieważ rozkład celulozy jest tu etapem o zbyt niskiej wydajności. Co zrobić by proces ten ulepszyć?

Według Wu kluczem jest zidentyfikowanie enzymów używanych w niniejszym procesie przez drobnoustroje a następnie wprowadzenie modyfikacji zwiększających ich wydzielanie przez bakterie. Tu jednak pojawia się problem. Otóż bakterie te wytwarzają ponad 100 różnych enzymów i każda ich kombinacja może być „tą właściwą” do produkcji etanolu.

Bakterie wiedzą dokładnie jakie geny i w jakim czasie powinny ulec ekspresji, a naszym zadaniem jest dowiedzieć się skąd czerpią tą wiedzę. C. thermocellum produkuje cały czas niewielkie ilości wszystkich enzymów zaangażowanych w procesy trawienia materiału roślinnego. Gdy dochodzi do kontaktu bakterii z drewnem niektóre z nich rozpoczynają jego trawienie. Produktem jednej z reakcji jest cukier – laminoarabioza, która dyfunduje do komórki, gdzie deaktywuje represor dwóch genów. To powoduje ich aktywację i rozpoczyna się produkcja enzymów, CelC i Lica, rozkładających drewno.

Wu pracuje nad "przeprojektowaniem" C. thermocellum w kierunku podwyższenia ekspresji odpowiednich genów, tak by wydzielanie przez bakterie etanolu było znacznie bardziej wydajnym procesem. Kontynuuje on również poszukiwanie dzikiego genotypu pod względem poszczególnych enzymów. "Nie sądzę, iż jest  to rewolucja, która uczyni etanol podstawowym paliwem, ale wierzę że jest to krok prowadzący do rewolucji" – powiedział Wu.

Naukowcy z Doliny Krzemowej prowadzą badania nad bakteriami, które mają stać się źródłem odnawialnej ropy.

Dziesięć lat temu nie umiałbym sobie wyobrazić, że kiedyś będę to robił – wyznaje 33-letni Greg Pal, były informatyk w jednej z kalifornijskich firm. Chodzi tu o drobnoustroje a dokładniej o ich genetyczną odmianę mikroskopijnej wielkości. Jeśli nakarmić je odpadami rolniczymi, na przykład wiórami drzewnymi czy słomą pszenicy to… produkują ropę naftową. Brzmi niewiarygodnie.

Najbardziej niezwykłe w tym przedsięwzięciu jest to, że zamiast podejmować próby przebudowania globalnej gospodarki starają się stworzyć produkt, który będzie można stosować zamiennie z tradycyjną ropą. Przedstawiciele firmy twierdzą, że ich ropa będzie nie tylko odnawialna, ale też ekologiczna. Ilość dwutlenku węgla wydzielana przy spalaniu nowego paliwa będzie mniejsza od tej, jaką pobierają z atmosfery surowce do jego produkcji.

Źródło:

 1) "Genome Sequencing Reveals Key to Viable Ethanol Production", University of Rochester News, March 2, 2007

 2) http://www.biodiesel.pl/

 3)   http://przekroj.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=362&Itemid=61  

Oprac. Magdalena Jóźwicka