Nowy pomysł na biopaliwa
Choć pomysł wykorzystania celulozy w celach energetycznych ma wiele lat, dotychczas brakowało wydajnych metod rozkładania tego złożonego cukru na prostsze węglowodany. Amerykańscy badacze zidentyfikowali jednak charakterystyczne cechy cząsteczek tej substancji, dzięki którym ich rozbicie może stać się prostsze.
Z punktu widzenia chemii cząsteczka celulozy jest wielocukrem złożonym z licznych reszt glukozy. Niestety, jej molekuły, stanowiące najważniejszy składnik ściany otaczającej komórki u roślin, są wyjątkowo oporne na działanie enzymów, które mogłyby je rozkładać. Z tego powodu każdego roku na świecie marnują się miliony ton odpadów, które mogłyby zostać wykorzystane m.in. do wytwarzania biopaliw.
Ze względu na potencjalne zastosowanie celulozy naukowcy nieustannie pracują nad metodami taniego i efektywnego rozkładu tego związku. Interesującego odkrycia w tej dziedzinie dokonali badacze z laboratorium w amerykańskim Los Alamos. Zidentyfikowali oni "słaby punkt" cząsteczek roślinnego wielocukru, który mógłby umożliwić przetwarzanie go na prostsze, łatwiejsze do wykorzystania związki.
Odkrycia dokonano dzięki badaniom krystalograficznym z wykorzystaniem neutronów. Metoda ta, polegająca na analizie zachowania neutronów podczas przechodzenia przez probkę, pozwala na ocenę rozkładu atomów w sieci krystalicznej. Interpretacja wyników takiej analizy pozwala na ustalenie (lub, jak mawiają krystalografowie, rozwiązanie) struktury badanej próbki z niebywałą wręcz dokładnością.
Analiza kryształów celulozy pozwoliła badaczom z Los Alamos na zidentyfikowanie dwóch rodzajów wiązań wodorowych, czyli stosunkowo słabych oddziaływań zachodzących pomiędzy położonymi blisko siebie atomami wodoru oraz tlenu. Jak zauważono, część z nich ma swoje stałe położenie i utrzymuje molekuły celulozy w bliskim sąsiedztwie, podczas gdy inne wykazują znacznie większą podatność na rozerwanie.
Rolą nietypowych, niestałych wiązań wodorowych jest najprawdopodobniej umożliwienie wielocząsteczkowym kompleksom celulozy dostosowanie się do zmian temperatury, lecz dla badaczy znacznie istotniejszy jest fakt, iż miejsca te są potencjalnymi miejscami przyłączania się enzymów trawiących celulozę.
Udało nam się zidentyfikować lukę w zbroi noszonej przez wyjątkowo twardego i godnego adwersarza, jakim jest włókno celulozowe, opisuje dr Gnana Gnanakaran, jeden z autorów studium. Jak tłumaczą jego koledzy, zebrane informacje mogą być istotne dla naukowców dążących do opracowania wydajnych i opłacalnych metod rozkładu celulozy na prostsze substancje, z których będzie można następnie wytwarzać różnego rodzaju surowce energetyczne.
Komentarze (17)
inhet, 24 kwietnia 2009, 05:37
Inicjatywa cenna - ale może by należało zajrzeć do brzucha termitom? Ich symbionty od milionów lat doskonale sobie radzą z trawieniem celulozy.
mikroos, 24 kwietnia 2009, 06:13
Owszem, ale synteza enzymów w warunkach laboratoryjnych jest nieprzyzwoicie droga.
Douger, 24 kwietnia 2009, 23:15
Ogólnie przetwarzanie odpadów roślinnych na paliwa to porażka. To takie wykorzystanie energii, jakby ze wzbogaconego uranu zrobić odważniki do zegara z kukułką.
lucky_one, 25 kwietnia 2009, 14:27
Ale kto mówi o syntezie enzymów? Wyizolować sekwencję DNA odpowiadającą za kodowanie enzymu, podpiąć to pod jakieś bakterie albo drożdże i wio
Mamy fabrykę enzymu 
Pomysł i inicjatywa bardzo ciekawe i cenne, szkoda tylko że nie zostało jeszcze zaproponowane żadne rozwiązanie problemu - odkryli tylko pewną nieregularność, ale określili jak można dzięki temu rozkładać celulozę.. Miejmy nadzieję, że niedługo napiszą publikację uzupełniającą ten niedostatek
mikroos, 25 kwietnia 2009, 18:31
Ja też dokładnie o tym mówię. Tylko uwierz mi, to naprawdę nie jest tanie. W skrajnych sytuacjach ceny enzymów sięgają kilkuset euro za probówkę o pojemności poniżej mililitra
Oczywiście są też białka znacznie tańsze, ale wciąż są to bardzo wysokie ceny.
lucky_one, 25 kwietnia 2009, 19:20
No ale widocznie później całe życie chcą się dorabiać na technologii, nieważne że po pierwszym pół roku jej wprowadzenia koszty R&D by się zwróciły.. :/
Jarek Duda, 5 maja 2009, 22:03
Produkowanie bakteriom albo drożdżom enzymu rozkładającego celulozę by chyba na zdrowie nie wyszło
Fajne byłoby jakieś mikroskopijne zwierzątko które mogłoby sobie żyć i rozmnażać w tym kompoście, przy okazji produkując ten enzym...
... tyle że ... i tu pojawia się chyba problem z takimi biologicznymi fabryczkami - taki organizm powinien na tej produkcji korzystać, bo w przeciwnym razie ewolucyjnie wyprą go takie które nie marnują tej energii ...
Więc pewnie dlatego są takie ceny - chyba na prawdę trzeba pilnować tych linii bakterii/drożdży/etc...
A może wykorzystać taką np. krówkę?
Ona przecież naturalnie produkuje sporo takiego enzymu...
Może można by te komórki sztucznie hodować?
mikroos, 5 maja 2009, 23:04
A dlaczego? Ich ściany komórkowe nie zawierają celulozy
Zresztą są metody wytwarzania białek, w których produkt jest odkładany w szczelnie zamkniętych pęcherzykach, z których nie mogą się wydostać i narobić szkód.
Jest mnóstwo takich bakterii
Na to też są sposoby
Można by, ale to kosztuje koszmarne pieniądze. Poza tym koszt produkcji niemal każdego enzymu zawiera w sobie koszt licencji patentowej... :/
Jarek Duda, 6 maja 2009, 08:13
No tak ... oj te resztki 'faktów' pozostałych z liceum...
Jest taka różnorodność organizmów, że to by było bardzo dziwne gdyby wszystkie używały tego samego wielocukru...
Rzeczywiście - na przykład różne toksyny.
Tyle że taki proces jest dość wyrafinowany, chyba trudno 'zamarkować' nowe białko żeby było produkowane w taki sposób?
Bo jednak dokładając nowy aktywny (wysoce agresywny) enzym do cytoplazmy, trudno sobie wyobrazić żeby nie było trochę szkodliwych interakcji...
Oj boję się że ewolucja jest tutaj głównym problemem - że zaraz powstanie mutacja nie produkująca tego enzymu - takie organizmy będą mogły więcej energii przeznaczyć na reprodukcję, nie będą miały dodatkowych szkodliwych interakcji - szybko wyprą te zmodyfikowane z populacji.
Więc w takich hodowlach potrzebna jest ciągła droga, skomplikowana sztuczna selekcja.
Jedyny sposób na to żeby taka zmodyfikowana populacja była stabilna, to to że ta mutacja daje im jakieś wymierne korzyści - na przykład że mogą trochę podjeść z tej celulozy.
Tyle że znowu - jeśli produkują enzymu więcej niż im potrzeba, pewnie zostaną wyparte przez takie które produkują go mniej...
Czyli musiałyby zjadać praktycznie całą glukozę którą rozłożą - żeby je wykorzystać musielibyśmy wykorzystać energię z ich biomasy (inny wielocukier...) ... albo może jakoś je zmusić do produkcji metanu i robić wszystko w środowisku beztlenowym... ?
Trzeba by sztucznie hodować komórki odpowiednich gruczołów. Sztuczne macierze (jak integra...) są w tym momencie kosmicznie drogie, a takie tkankowe komórki chyba nie dałyby się hodować w luźnym roztworze pożywki? (apoptoza)
... chyba że wzięlibyśmy odpowiednie nowotworowe ... ale znowu wchodzi w grę ich niekorzystna dla nas ewolucja ...
A co do patentów, to wręcz mnie dreszcz przechodzi jak tylko słyszę to słowo... :/
thibris, 6 maja 2009, 11:49
Skoro Archeany już jakiś kawał czasu produkują tlen czy inne związki w wielkościach, które nic im nie dają i nie zostały wyparte (nie całkiem i nie tak szybko, aby nie było opłacalne ich hodowanie) przez te, które nie prowadzą ponadmiarowej produkcji, to znaczy że się da chyba ? Nie jestem biologiem - tak sobie dywaguję
mikroos, 6 maja 2009, 14:33
O ile pamiętam, są specjalne sekwencje sygnałowe w cząsteczkach białek, które kierują białka do odpowiednich kompartmentów. Nikt nie mówi, że to działa zawsze, ale pomysłów na produkcję białek w bakteriach jest mnóstwo
Ale po to masz bioreaktor do produkcji enzymu, żeby bardzo ściśle kontrolować zarówno fizjologię, jak i genom bakterii. Istnieją przeróżne metody selekcji polegające na tym, że bakteria z mutacją nie jest w stanie przeżyć. Poza tym w typowym bioreaktorze jest albo tak, że regularnie wymienia się bakterie we wnętrzu, albo robi się to po stwierdzeniu spadku wydajności syntezy. W takiej sytuacji po prostu sięga się do banku i wyciąga nową porcyjkę bakterii przechowywanych np. w ciekłym azocie albo w postaci liofilozowanej
Wszystko pod kontrolą! 
I wbrew pozorom wcale nie jest to aż takie drogie, przeważnie wystarczy pojedynczy czynnik selekcyjny (a często jest nawet tak, ze zabójczy jest brak jakiejś substancji, więc nawet oszczędzasz, bo masz jeden składnik pożywki mniej 
)
Niekoniecznie
Przecież jeżeli bakterie rozkładające celulozę wyginą, to te niewytwarzające celulazy same padną z głodu 
Jeśli komórki są z natury adherentne, czyli żyją na powierzchniach płytek hodowlanych, to zawieszone w pożywce długo nei pożyją. Zresztą same będą bardzo szybko dążyły do przylgnięcia z powrotem do podłoża - potrzebują na to zwykle paru godzin
Ale co to za problem? Znów pozostaje kwestia stworzenia systemu wydajnej selekcji.
Jarek Duda, 6 maja 2009, 16:47
thibris - to zupełnie inna sprawa - ten tlen, tak potrzebny późniejszym organizmom do pełnego cyklu Krebsa, w tamtych czasach (i innych środowiskach beztlenowych) był po prostu produktem ubocznym.
mikroos - wierzę że jest sporo (opatentowanych
) sposobów, ale myślę że ogólnie to nie jest tak banalne jak przedstawiasz 
Żeby taki 'czynnik selekcyjny' mógł działać, produkowana substancja musi jakoś pozytywnie wpływać na metabolizm organizmu w zadanym środowisku.
W przeciwnym razie zawsze więcej potomstwa będą mieć organizmy które to dezaktywują ... i czasem trzeba wyciągnąć 'nową porcyjkę bakterii'
Ale skąd brać te nowe porcyjki??
Przy ich hodowli pojawia się ten sam problem ... ostatecznie po prostu trzeba stosować jakąś dużo bardziej wyrafinowaną selekcję - np. jakoś markować fluorescencyjnie przeciwciałami i użyć jakiejś maszynki sortującej przepływowo ... albo adhezyjnie ... ?
mikroos, 6 maja 2009, 16:57
Co do selekcji, już wspominałem: wystarczy, żeby "dobre" bakterie posiadały gen pozwalający na wykorzystanie np. jakiegoś aminokwasu. Wtedy te, które zmutowały i straciły plazmid zawierający gen kodujący celulazę, zginą.
A jeśli dojdzie do pojedynczych, drobnych mutacji, wówczas faktycznie bywa tak, że trzeba wymienić całą zawartość bioreaktora. Na szczęście istnieje sposób także na ten problem, mianowicie bakterie o ulepszonych systemach naprawy DNA
Poza tym w środowisku bioreaktora warunki do rozwoju są praktycznie idealne, stresu środowiskowego zero, więc ryzyko mutacji też znacznie spada.
A skąd nową porcyjkę? Wystarczy na starcie wyprodukować na tyle dużo bakterii, żeby mieć zapas np. na 100 lat produkcji
Pamiętajmy, że taka "ogromna" porcja zajmuje ledwie niedużą szafkę 
Przeciwciała/fluorescencja? Nie jestem specjalistą w dziedzinie biotech przemysłowej, ale wydaje mi się, że jest to niepotrzebnie drogie. Wystarczy zamiast tego monitorować wydajność rozkładu celulozy i jednoczesnego narastania poziomu glukozy. Jest to o niebo prostsza, a do tego skuteczniejsza metoda, bo mierzy bezpośrednio ten parametr, który nas interesuje.
thibris, 6 maja 2009, 18:23
Więc może dałoby się wyhodować/zmodyfikować bakterie tak aby produktem ubocznym ich trawienia celulozy była glukoza ? Wydawało mi się że do tego to zmierza.
mikroos, 6 maja 2009, 19:42
Teoretycznie tak, ale musimy pamiętać o tym, że same bakterie też muszą z czegoś czerpać energię. I tak się pechowo składa, że glukoza z rozkładu celulozy jest idealnym substratem.
Teoretycznie można by było zaangażować do tego jakieś chemoautotrofy, które nie potrzebują glukozy do życia, ale ich hodowla byłaby wyjątkowo upierdliwa, że tak to nazwę wprost, choć nei do końca elegancko.
Jarek Duda, 6 maja 2009, 20:06
No niby wydaje się że celulozę to najłatwiej na glukozę rozłożyć...
Tyle że z jednej strony o np. silnikach na glukozę nie słyszałem ... z drugiej chyba ciężko o organizmy które nie pokusiłyby się jej dalej rozłożyć ...
Dużo praktyczniejsze i realniejszy byłby jakiś alkohol lub metan.
No właśnie tu jest problem!
I tak samo występuje on przy przygotowywaniu tych wszystkich szafek 'zapasów'
Trudno mi wierzyć, że wystarczy liczyć na niskie prawdopodobieństwo mutacji...
mikroos, 6 maja 2009, 20:08
A mimo to tak się robi od lat i to działa