Một cách tiếp cận mới cho nhiên liệu sinh học

0
54

Các nhà nghiên cứu EU đã thiết kế và thử nghiệm các cấu trúc tế bào, cellulosomes, giúp phân hủy chất thải sinh khối dồi dào để tạo ra các hóa chất có giá trị gia tăng, chẳng hạn như nhiên liệu sinh học tiên tiến.

Chìa khóa để sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến từ sinh khối lignocellulosic là sự chuyển đổi hiệu quả của cellulose chứa trong thành tế bào thành đường lên men – một nút cổ chai lớn cho sản xuất quy mô lớn. Phân hủy sinh khối hiệu quả thành đường, được gọi là đường hóa, có thể làm giảm chi phí của quá trình và cũng cần ít hơn số lượng nguyên liệu cần thiết để sản xuất nhiên liệu sinh học với thời gian ngắn hơn.

Một số vi khuẩn có cấu trúc tự nhiên được gọi là cellulosomes có chứa xenluloza, các enzym phá vỡ xenlulô hiệu quả thành đường. Dự án CELLULOSOMEPLUS do EU tài trợ đã phát triển các cellulosome (DCs) để đạt được sản lượng cao các loại đường lên men từ phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị (OFMSW) để tạo ra nhiên liệu sinh học tiên tiến với chi phí thấp.

Dự án đã sản xuất các thành phần cơ bản của cellulose tự nhiên cũng như các enzyme lignocellulosic khác và sau khi lắp ráp thành các DC, đặc trưng cho sự thủy phân của chất nền OFMSW. Họ cũng nghiên cứu cấu trúc hóa học, nguyên tử và siêu phân tử của cellulose, và sự tương tác của các thành phần khác nhau của nó.

Các thử nghiệm và mô hình mới được phát triển

Để mô tả các thành phần cellulosomal và non-cellulosomal được sử dụng trong các DC, nhóm nghiên cứu đã phát triển một thử nghiệm enzyme tiêu chuẩn hóa. Một xét nghiệm để xác định hoạt tính enzym trong chất nền công nghiệp cho thấy rằng cellulose thủy phân sinh khối lignocellulosic một cách hiệu quả hơn so với một enzyme tinh khiết duy nhất hoặc một hỗn hợp của các enzym. Những nghiên cứu này cung cấp một sự hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc và tính chất xúc tác của cellulosomes.

Mô hình đa quy mô từ các cấp nguyên tử đến siêu phân tử được sử dụng để phân tích cấu trúc và tự lắp ráp của cellulosome. Theo Tiến sĩ Carrión-Vázquez: “Các mô hình cung cấp thông tin mới về tính chất động của chất xúc tác cùng với các tính ổn định cơ học, tạo ra các ý tưởng mới cho các thí nghiệm và để tạo ra các DC tối ưu”.

Những kiến thức thu được về cellulose tự nhiên và việc sàng lọc tiếp theo các thành phần của chúng cung cấp cho các nhà nghiên cứu một nền tảng để kiểm tra việc tạo ra các DC cuối cùng. Chúng mang cả hai thành phần cellulosomal và phi xenlulo và được xác nhận ở quy mô phòng thí nghiệm và tiền công nghiệp để đảm bảo sự phân hủy tối ưu của chất nền công nghiệp OFMSW.

Lợi ích cho công nghệ sinh học châu Âu

Các đối tác dự án đã phân tích các cellulosome của chín loài vi khuẩn và tạo ra một cơ sở dữ liệu các thành phần xenlulô. Sự ổn định nhiệt của các enzym xenluloza chính được tăng lên bằng đột biến bán ngẫu nhiên, đạt được sản lượng thủy phân tốt hơn. Các nhà khoa học cũng đã xác định cấu trúc 3D của ba hydrolases glycoside và sử dụng dữ liệu để phát triển các mô hình tính toán. Các phương pháp khác nhau để mô tả các tương tác giữa các thành phần xenlulô bằng quang phổ lực phân tử đơn dựa trên phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử cũng được phát triển, giảm thời gian chuẩn bị mẫu và tăng chất lượng dữ liệu và khả năng so sánh. Ngoài ra, khả năng cơ học của các mô-đun cohesin scaffoldin đã được cho là một tham số công nghiệp mới có liên quan cho hoạt động enzym của cellulosome.

Dự án đã xây dựng một số mô hình của các enzyme. Điều này bao gồm các dữ liệu liên quan đến tính ổn định và độ đặc hiệu bề mặt của các yếu tố xenluloza chính. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một DC được hình thành bởi mười thành phần, kết hợp các hoạt động xenlulaza/xylanase với ba enzim phụ.

Dự án sẽ mang lại lợi ích cho các ngành công nghiệp công nghệ sinh học, giao thông vận tải, cũng như các ngành công nghiệp hóa chất tham gia vào xử lý chất thải đô thị và nông nghiệp, giấy và lâm nghiệp. Công nghệ mới này cũng sẽ giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ của châu Âu, kích thích tạo việc làm và giảm tác động môi trường của ngành nhiên liệu sinh học tiên tiến.

N.M.P (NASATI), theo https://cordis.europa.eu