Биотопливо из морских водорослей

Ясуо Йошикуни (Yasuo Yoshikuni) и его коллеги из Лаборатории Биоархитектуры при Калифорнийском Университете в Беркли (Berkeley University, США) сконструировали бактерию Escherichia coli, способную метаболизировать углеводы бурых водорослей с получением этанола. Результаты исследования опубликованы в журнале Science [1].

По словам ученых, бурые водоросли очень удобны в качестве источника биотоплива. «Для производства морских водорослей не требуется затрат свежей воды или использования пахотных земель», - говорит Йошикуни. Кроме того, бурые водоросли растут быстрее, чем красные или зеленые водоросли. Например, гигантская ламинария, произрастающая на побережье Калифорнии, каждый день увеличивается в размерах на один метр.

В настоящее время активно разрабатываются методы получения этанола без использования продовольственных культур, таких как сахарный тростник или маис (кукуруза). Ученые исследуют возможность применения для этих целей различного сырья – просо, суккулентных растений, цианобактерий и зеленых водорослей. Тем не менее, производство биотоплива из сахарного тростника или кукурузы не только уменьшает поставки продовольствия, но и вынуждает занимать огромные площади пахотных земель для их культивирования. При выращивании и сборе урожая маиса затрачивается больше энергии, чем производится при синтезе из этанола.

Однако производство биотоплива из морских водорослей до настоящего момента казалось трудной задачей для биоинженеров. Морские водоросли вырабатывают четыре типа сахаров – ламинарин, маннитол, альгинат и целлюлозу. Основную часть сахаров бурых водорослей составляет альгинат – сложный полисахарид, который трудно переваривается микроорганизмами.

«По сравнению с традиционными сельскохозяйственными источниками биотоплива, такими как кукуруза или сахарный тростник, углеводы – довольно необычный источник. Альгинат – ключ к раскрытию потенциала бурых водорослей в качестве источника биотоплива», - утверждает Йошикуни.

С помощью морской бактерии Vibrio splendidus, способной переваривать бурые водоросли, ученым удалось выявить биохимический путь метаболизма альгината. Ученые встроили необходимые гены в штамм кишечной палочки Escherichia coli, которая после этого начала разрушать альгинат до простых сахаров. Штамм был сконструирован таким образом, чтобы бактерии могли напрямую превращать сахара в этиловый спирт. Теоретически этот штамм E. coli может быть сконструирован для продукции и других полезных химических соединений.

«Полученные результаты действительно новаторские», - говорит Йонг-Су Джин (Yong-Su Jin) из Института Геномной Биологии при Университете Иллинойса (Institute for Genomic Biology, University of Illinois, США), изучающий возможность получения биотоплива из морских водорослей. Джин работает с красными водорослями, распространенность которых в океанах меньше по сравнению с бурыми водорослями. Но, по словам Джина, красные водоросли «относительно просто ферментировать с помощью дрожжей», поскольку в них содержится меньше альгината [2].

Стефен Мэйфилд (Stephen Mayfield), руководитель Центра Биотехнологии Водорослей при Калифорнийском Университете в Сан-Диего (San Diego Center for Algae Biotechnology, University of California San Diego, США), называет исследование «передовым инженерным подвигом», но добавляет, что «пока оно не имеет ничего общего с производством биоэнергии». «Основная проблема при производстве биотоплива заключается не в разработке способа разрушения сложных углеводов до простых сахаров, а в этапах производства биомассы», - считает ученый.

Невысокий объем производства морских водорослей остается большой проблемой: человек уже сотни лет выращивает морские водоросли, но для продовольственных нужд ежегодно производится лишь несколько тысяч тонн этого продукта. Для синтеза биотоплива потребуются миллиарды тонн морских водорослей. «На пути крупномасштабного культивирования водорослей мы пока сталкиваемся с большими техническими сложностями», - говорит Джин.

Йошикуни утверждает, что следующим шагом его научной группы будет решение этой проблемы. В этом году ученые продемонстрируют возможности разработанного способа получения этилового спирта на пилотном заводе, построенном в Чили.



Морские водоросли могут оказаться более стабильным источником получения биотоплива по сравнению с продовольственными культурами, такими как сахарный тростник и кукуруза (фото: Bio Architecture Lab, Inc.)

Оригинальный текст: Zoe Cormier

По материалам NatureNews

Литература:
1. Wargacki, A. J. et al. Science 335, 308–313 (2012).
2. Ha, S.-J. et al. Appl. Environ. Microbiol. 77, 5822–5825 (2011).