Mikrobiološka proizvodnja obnovljivih biomonomerov in bioplastike

Uvod

Plastika je vsakdanjo uporabljen in svetovno razširjen material. Proizvaja se v 260 milion tonah letno in ima po ocenah 3 miliarde dolarjev vreden globalni market. Pri tem so največje proizvajalke Kitajska (23,5%), Evropska Unija (21,5%) in severna Amerika ter preostala Azija vsaka z dodatnimi 20%. Vodilni vir monomerov plastike še vedno ostajajo neobnovljivi viri, kot sta nafta in zemeljski plin. Monomere se nato obdela in s kondenzacijo ali adicijo polimerizira v plastiko z željeno obliko in lastnostmi, distribuira in uporabi. Kar 80% uporabljene plastike konča na odlagališčih in le 10% se je reciklira. Proizvodnja plastike še vedno skokovito narašča in čeprav narašča tudi njena reciklaža, ta ne zmore dohajati porasta proizvodnje plastike. Tehnologija se zato usmerja v razvoj ¨zelene¨ plastike oziroma plastike iz obnovljive biomase. V želji po obnovljivih virih za plastiko se razvija tudi mikrobna proizvodnja plastike.

Naravno prisotna bioplastika

Nekateri mikroorganizmi so sami sposobni sintetizirati nekatere polimere. Primer naravne plastike so polihidroksialkanoati (PHA), ki so linearni poliestri, ki jih nekatere vrste (Ralstonia, Bacillus, Pseudomonas, fototrofne cianobakterije) proizvajajo kot zalogo ogljika in energije. Najpogostejši polimer je PHB (polihidroksibutirat). PHA so termostabilni, odporni na kristaliničnost in posteklenijo, zato so možni nadomestek za polietilene (PE) in polipropene (PP). Žal je njihova biorazgradljivost omejujoč dejavnik, če želimo proizvajati dolgoživo plastiko. Prav tako težko nadzorujemo njihove lastnosti, čistost, izolacija pa je zahtevna. PHA so uspešno izrazili tudi v E. coli s produktivnostjo 4 g/L. Podjetji Mirei in Mvera iz njih proizvajata filme, premaze in lite izdelke. Drugi polimer je glukoza iz β-1,4-glukoznih verig, ki ga proizvajajo nekateri sevi Actobacter. Verige se izločijo iz celice in šele ekstracelularno uredijo v celulozo, kar olajša izolacijo produkta. Bakterijska celuloza ne vsebuje lignina in hemiceluloze, njena prednost pa je tudi, da ima do 100-krat nižjo molekulsko maso kot rastlinska celuloza. Kljub temu, da ni možno nadzorovati lastnosti produkta, je precej komercialno uporabna. Podjetje Biofill Productos Biotecnologicos na ta način proizvaja mediscinske biofilme, Xylor Corp pa produkte za oskrbovanje ran.

Naravno prisotni biomonomeri

Prednosti monomerov so, da se navadno izločajo iz celic in da imamo nadzor nad sledečo polimerizacijo in lastnostmi plastike. Zelo znan primer naravnega monomera je etanol, ki je naravni fermentacijski produkt. Z dehidracijo se lahko nadaljnje obdela do etilena, tega pa se lhako polimerizera v polietilen (PE). Tudi L-mlečna kislina, ki je naravni odpadek mlečnokislinske fermentacije, je monomer, ki ga lahko polimeriziramo v L-polimlečno kislino (PLA). Biosontezo L-mlečne kisline so že prenesli v E. coli tako, da ta direktno proizvaja monomer. Za to so v E. coli izrazili PHA-sintazo s spremenjeno substratno specifičnostjo iz vrst Pseudomonas in dodatkom propionil-CoA-transferaze iz Clostridium propionicum. Tehnologijo uporablja Nature Works LLC. Sukcinka kislina je prav tako fermentacijski produkt, za njeno proizvodnjo pa so že prilagodili metabolizem E. coli.

Inženiring novih biomonomerov

Naravni monomeri nam zagotavlajjo le omejen nabor plastike, zato se raziskovalci poslužujejo metabolnega inženiringa in de novo sinteze metabolnih poti, da bi razširili paleto monomerov in njihovih lastnosti. Inženiring se odvija na vseh glavnih skupinah plastike: poliamidih (PA; najlonih), poliestih in polivinilih (PV).

Poliamidi

So razred plastike, sestavljeni iz homopolimerov in/ali kopolimerov diaminov in dikislin. Zanjih je značilna mehanska trdnost in vzdržljivost, zato se največkrat uporabljajo v tekstilni industriji ali kot mehanski deli. Zaradi omejenega nabora naravnih monomerov so v razvoju modPutrescin je 4C verižni diamin in razgradni produkt aminokislin. V E. coli izhaja iz L-ornitinske in L-arginisnke poti. Obe poti so skušali raziskovalci izraziti z menjavo promotorjev, delecijo alosteričnih zank, ki so odgovorne za negativno povratno sporočanje, izbrisom stranskih poti, ki odvajajo produkt iz načrtane sintezne poti putrescina ipd. Tako modificiran sev E. coli je dosegel produktivnost 24,2 g/L. V enakih poskusih na Corynebacterium glutamicum so dosegli slabšo produkcijo zaradi inhibicije z ureo. Kadaverin je 5C verižni diamin in naravni produkt dekarboksilacije L-lizina. Pretvorbo glukoze v kadaverin so izrazili v E. Coli in C. Glutamicum, kamor so vnesli gen za cadA ali Idc iz E. coli. v obe vrsti. Z dodatnimi modifikacijami, kot so delecija genov, ki odvajajo in porabljajo kadaverin, delecija LysE, ki iz celice odvaja substrat L-Lys, in povišanim izražanjem kadaverin inducibilne parmeaze, so dosegli 9,6 g/L produkcijo kadaverina v E. coli in 10 g/L v C. Glutamicum. ifikacije sinteznih poti, zlasti za 4C-6C verižne monomere, na primer putrescin in kadaverin.

Stirenski vinili

So polimeri stirena in/ali substituiranega stirena. Najznačilnejši predstavniki so polistiren (PS), akronitril butadien stiren (ABS) in stiren akronitril (SAN). Gre za polimere z majhno gostoto, ki so zaradi te svoje lastnosti uporabni predvsem kot toplotni izolatorji, embalaže, gume ali tesnila. Trenutno se vsi pridobivajo iz nafte z etilbenzensko dehidrogenacijo, ki pa je proces, ki zahteva velik energetski vložek zaradi velike količine uporabljene pare (kar 3 kubične tone pare na 1 tono stirena). Zato so v razvoju ekološko prijaznejši načini pridobivanja stirena. Prvi obnovljivi stirenski monomer v razvoju v povezavi z mikrobiološko proizvodnjo je PHS (polihidroskistiren), njegovo izražanje v E. coli pa zaradi citotoksičnosti še ne presega 600 mg/mL.

Hidroksikisline

Za proizvodnjo plastike so zanimive zlasti terminalne hidroksikisline, kot so 3HP (3-hidroksipropionat), 3HB(3-hidroksibutirat) in 3HV(3-hidroksivalerat). Vse so bile že proizvedene v bioplastiko z mikrobiološkim izvorom. Pri tem so razvili tudi steroselektivni pristop, kar zagotavlja proizvodnjo optično čistih monomerov.

Viri

Adkins, J., Shawn, P., McKenna, P., Nielsen, D. R. Engineering microbial chemical factories to produce renewable ˝biomonomers¨. Front. Microbiol. 3, 31–42 (2012) Martin, C. H., Nielsen, D. R., Solomon, K. V., Prateher, K. L. J. Synthetic metabolism: engineering biology at the protein and pathway scales. Chem. Biol. 16, 277-289 (2009) Global Industry Analysts. (2012). Plastics: A global outlook. San Jose, CA: GIA. Lee, J. W., Kim, H. U., Choi, S., Yi, J., Lee, S. Y. Microbial production of building block chemicals and pollymers. Curr. Opin. Biotechnol. 22, 756-767 (2011).