Метаболитно инженерство

  • МЕТАБОЛИТНО ИНЖЕНЕРСТВО ПРИ СЪЗДАВАНЕ НА БИОВЪЗОБНОВИМИ ГОРИВА И ХИМИЧЕСКИ ПРОДУКТИ

    Метаболитно инженерство при създаване на биовъзобновими горива и химически продукти: Приноси на Синтетичната биология

     

    Производството на горива и химически продукти чрез микробна ферментация на растителни материали е желана алтернатива на химичното им производство базирано на петролни продукти. Ферментационното производство на биологично възобновими горива и химически продукти налага и проектирането на биокатализатори, които могат  бързо и ефикасно да превърнат захарите до крайни продукти, чиято цена е конкурентна с тази на продуктите базирани на производствени процеси от нефтопродукти. Важно е също така, биокатализаторите да бъдат изключително устойчиви на условията за ферментация, а също така и на получените от биомасата инхибитори и техните производни.

    Традиционното метаболитно инженерство е постигнало голям напредък в тази област, но синтетичната биология е допринесла и ще продължи да допринася в тази насока, особено със следващото поколение биологични горива.

    Този реферат разглежда приложението на метаболитното инженерство и синтетичната биология, в биокаталитичното проектиране на биологично възобновими горива и химически продукти, като етанол, бутанол, ацетат, лактат, сукцинат, аланин и ксилитол. В него също така разглеждаме съществуващите предизвикателства в тази област и дискутираме стратегии за подобряване на биокаталитичния толеранс на химичните инхибитори.

     

    1.Въведение

     

    Човешкото общество винаги е зависело от натрупаните в биомасата въглерод и енергия за хранене и оцеляване. През последните два века ние сме станали зависими също така и от въглерода и енергията получавани от петрол за производство на химически продукти и горива.
    Има дълбока разлика между невъзобновяемите източници на въглерод и енергия като петрола и възобновяемите като биомасата. Биомасата може да се разглежда като форма за временно съхранение на атмосферния въглерод и енергията получена от слънчевата светлина. Затова има нарастващо нужда от разработка и приложение на стратегии за производство на химически продукти и горива от биомаса вместо от нефт.

    В тази работа ние разглеждаме микробната ферментация на захари получени от биомаса, служеща за получаване на горива и химически продукти. За да може процеса на ферментация да е конкурентенна базираните на петролна основа процеси, е необходими целевия химическипродукт да бъде получаван с по-висок добив, титър и производителност.

    Понякога има допълнителни пречки за ферментационния процес, като например наличието на мощни инхибитори в хидролираната биомасата, или необходимост процесите да протичат при ектремални рН, или температури. Тези цели са трудно постижими с естествено разпространените микроби. Ето защо, микроорганизми с тези желани белези, трябва да бъдат създадени или чрез изменения на съществуващи микроби или чрез проектиране de novo от нови микроби. Въпреки че вече има значителен напредък към проектиране de novo , тази работа се фокусира върху измененията на съществуващите микроби.
    Човечеството отдавна прилага микроби - биокаталитици за производството на ферментирали храни и напитки и еукариоти - биокаталитици за хранителни и текстилни продукти. В миналото ние бавно сме променяли тези биокаталитици, чрез подбор на тези от тях с желаните белези, без да сме разбирали основните биологични механизми. Понастоящем, след като вече е изяснен биологичния код и е развита рекомбинантната ДНК технология, ние вече имаме средства, с които да се направи повече, отколкото само да се избира по видими белези. Сега вече сме в състояние рационално да модифицираме и да проектираме метаболитни пътища, протеини и дори целите организми. Голяма част от тази целенасочена модификация е под формата метаболитно инженерство.