Bakteri yang direkayasa menghasilkan olefin rantai menengah yang dapat menggantikan minyak dan gas dalam sintesis — ScienceDaily
Top Environment

Bakteri yang direkayasa menghasilkan olefin rantai menengah yang dapat menggantikan minyak dan gas dalam sintesis — ScienceDaily

Jika industri petrokimia ingin melepaskan diri dari minyak dan gas, ia harus menemukan bahan kimia yang bersumber secara berkelanjutan yang dapat dengan mudah masuk ke dalam proses yang ada untuk membuat produk seperti bahan bakar, pelumas, dan plastik.

Membuat bahan kimia tersebut secara biologis adalah pilihan yang jelas, tetapi produk mikroba berbeda dari hidrokarbon bahan bakar fosil dalam dua cara utama: Mereka mengandung terlalu banyak oksigen, dan mereka memiliki terlalu banyak atom lain yang bergantung pada karbon. Agar hidrokarbon mikroba bekerja dalam proses sintetik yang ada, mereka sering kali harus dideoksigenasi — dalam bahasa kimia, dikurangi — dan dilucuti dari kelompok kimia asing, yang semuanya membutuhkan energi.

Sebuah tim ahli kimia dari University of California, Berkeley, dan University of Minnesota kini telah merekayasa mikroba untuk membuat rantai hidrokarbon yang dapat dideoksigenasi dengan lebih mudah dan menggunakan lebih sedikit energi — pada dasarnya hanya gula glukosa yang dimakan bakteri, ditambah sedikit panas.

Proses ini memungkinkan produksi mikroba dari berbagai bahan kimia yang saat ini terbuat dari minyak dan gas — khususnya, produk seperti pelumas yang terbuat dari hidrokarbon rantai menengah, yang mengandung antara delapan dan 10 atom karbon dalam rantai tersebut.

“Sebagian dari masalah dengan mencoba beralih ke sesuatu seperti glukosa sebagai bahan baku untuk membuat molekul atau untuk mendorong industri kimia adalah bahwa struktur bahan bakar fosil petrokimia sangat berbeda — mereka biasanya sepenuhnya tereduksi, tanpa substitusi oksigen, ” kata Michelle Chang, profesor kimia UC Berkeley dan teknik kimia dan biomolekuler. “Bakteri tahu bagaimana membuat semua molekul kompleks yang memiliki semua kelompok fungsional ini menonjol dari mereka, seperti semua produk alami, tetapi membuat petrokimia yang biasa kita gunakan sebagai prekursor untuk industri kimia adalah sedikit tantangan bagi mereka. .”

“Proses ini adalah satu langkah menuju deoksigenasi produk mikroba ini, dan ini memungkinkan kami untuk mulai membuat hal-hal yang dapat menggantikan petrokimia, hanya menggunakan glukosa dari biomassa tanaman, yang lebih berkelanjutan dan terbarukan,” katanya. “Dengan begitu kita bisa lepas dari petrokimia dan bahan bakar fosil lainnya.”

Bakteri direkayasa untuk membuat rantai hidrokarbon dengan panjang sedang, yang belum pernah dicapai sebelumnya, meskipun yang lain telah mengembangkan proses mikroba untuk membuat rantai yang lebih pendek dan lebih panjang, hingga sekitar 20 karbon. Tetapi prosesnya dapat dengan mudah diadaptasi untuk membuat rantai dengan panjang lain, kata Chang, termasuk hidrokarbon rantai pendek yang digunakan sebagai prekursor untuk plastik paling populer, seperti polietilen.

Dia dan rekan-rekannya menerbitkan hasil mereka minggu ini di jurnal Kimia Alam.

Sebuah bioproses untuk membuat olefin

Hidrokarbon fosil adalah rantai linier sederhana dari atom karbon dengan atom hidrogen yang melekat pada setiap karbon. Tetapi proses kimia yang dioptimalkan untuk mengubahnya menjadi produk bernilai tinggi tidak dengan mudah memungkinkan substitusi oleh prekursor yang diproduksi secara mikroba yang teroksigenasi dan memiliki atom karbon yang dihiasi dengan banyak atom dan molekul kecil lainnya.

Untuk membuat bakteri menghasilkan sesuatu yang dapat menggantikan prekursor bahan bakar fosil ini, Chang dan timnya, termasuk penulis pertama Zhen Wang dan Heng Song, mantan rekan pascadoktoral UC Berkeley, mencari database untuk enzim dari bakteri lain yang dapat mensintesis hidrokarbon rantai menengah. . Mereka juga mencari enzim yang dapat menambahkan gugus kimia khusus, asam karboksilat, di salah satu ujung hidrokarbon, mengubahnya menjadi apa yang disebut asam lemak.

Semua mengatakan, para peneliti memasukkan lima gen terpisah ke dalam E. coli bakteri, memaksa bakteri untuk memfermentasi glukosa dan menghasilkan asam lemak rantai menengah yang diinginkan. Reaksi enzimatik yang ditambahkan tidak tergantung pada, atau ortogonal terhadap, jalur enzim bakteri itu sendiri, yang bekerja lebih baik daripada mencoba mengubah jaringan metabolisme kompleks bakteri.

“Kami mengidentifikasi enzim baru yang benar-benar dapat membuat rantai hidrokarbon ukuran sedang ini dan yang ortogonal, sehingga terpisah dari biosintesis asam lemak oleh bakteri. Itu memungkinkan kami untuk menjalankannya secara terpisah, dan menggunakan lebih sedikit energi daripada jika Anda menggunakan jalur sintase asli,” kata Chang. “Sel mengkonsumsi glukosa yang cukup untuk bertahan hidup, tetapi kemudian di samping itu, Anda memiliki jalur mengunyah semua gula untuk mendapatkan konversi yang lebih tinggi dan hasil yang tinggi.”

Langkah terakhir untuk membuat asam lemak rantai menengah itu mempersiapkan produk agar mudah dikonversi dengan reaksi katalitik menjadi olefin, yang merupakan prekursor polimer dan pelumas.

Kelompok UC Berkeley berkolaborasi dengan kelompok Minnesota yang dipimpin oleh Paul Dauenhauer, yang menunjukkan bahwa reaksi katalitik sederhana berbasis asam yang disebut katalisis asam Lewis (setelah ahli kimia UC Berkeley terkenal Gilbert Newton Lewis) dengan mudah menghilangkan asam karboksilat dari produk mikroba akhir — Asam 3-hidroksioktanoat dan 3-hidroksidekanoat — untuk menghasilkan olefin heptena dan nonena, masing-masing. Katalisis asam Lewis menggunakan energi yang jauh lebih sedikit daripada reaksi redoks yang biasanya diperlukan untuk menghilangkan oksigen dari produk alami untuk menghasilkan hidrokarbon murni.

“Molekul biorenewable yang dibuat oleh kelompok Profesor Chang adalah bahan mentah yang sempurna untuk pemurnian katalitik,” kata Dauenhauer, yang menyebut molekul prekursor ini sebagai bio-petroleum. “Molekul-molekul ini mengandung oksigen yang cukup sehingga kami dapat dengan mudah mengubahnya menjadi molekul yang lebih besar dan lebih berguna menggunakan katalis nanopartikel logam. Ini memungkinkan kami untuk menyesuaikan distribusi produk molekuler sesuai kebutuhan, seperti produk minyak bumi konvensional, kecuali kali ini kami menggunakan energi terbarukan. sumber daya.”

Hepten, dengan tujuh karbon, dan nonena, dengan sembilan, dapat digunakan secara langsung sebagai pelumas, dipecah menjadi hidrokarbon yang lebih kecil dan digunakan sebagai prekursor untuk polimer plastik, seperti polietilen atau polipropilena, atau dihubungkan untuk membentuk hidrokarbon yang lebih panjang, seperti lilin dan solar.

“Ini adalah proses umum untuk membuat senyawa target, tidak peduli berapa panjang rantainya,” kata Chang. “Dan Anda tidak perlu merekayasa sistem enzim setiap kali Anda ingin mengubah gugus fungsi atau panjang rantai atau seberapa bercabangnya.”

Terlepas dari prestasi rekayasa metabolisme mereka, Chang mencatat bahwa tujuan jangka panjang dan lebih berkelanjutan adalah mendesain ulang sepenuhnya proses untuk mensintesis hidrokarbon industri, termasuk plastik, sehingga mereka dioptimalkan untuk menggunakan jenis bahan kimia yang biasanya dihasilkan mikroba, daripada mengubah produk mikroba agar sesuai dengan proses sintetis yang ada.

“Ada banyak minat dalam pertanyaan, ‘Bagaimana jika kita melihat struktur polimer yang sama sekali baru?’,” katanya. “Bisakah kita membuat monomer dari glukosa dengan fermentasi untuk plastik dengan sifat yang mirip dengan plastik yang kita gunakan saat ini, tetapi strukturnya tidak sama dengan polietilen atau polipropilen, yang tidak mudah didaur ulang.”

Pekerjaan ini didukung oleh Pusat Polimer Berkelanjutan, Pusat Inovasi Kimia yang didukung oleh National Science Foundation (CHE-1901635). Rekan penulis lainnya adalah Edward Koleski, Noritaka Hara dan Yejin Min dari UC Berkeley dan Dae Sung Park dan Gaurav Kumar dari University of Minnesota.

Posted By : hongkong togel