การผลิตสารเคมีเหล่านี้ทางชีววิทยาเป็นตัวเลือกที่ชัดเจน แต่ผลิตภัณฑ์จุลินทรีย์แตกต่างจากไฮโดรคาร์บอนเชื้อเพลิงฟอสซิลในสองวิธีหลัก: พวกเขามีออกซิเจนมากเกินไปและมีอะตอมอื่น ๆ ที่ห้อยจากคาร์บอนมากเกินไป เพื่อให้จุลินทรีย์ไฮโดรคาร์บอนทำงานในกระบวนการสังเคราะห์ที่มีอยู่ จุลินทรีย์เหล่านี้มักจะต้องถูกกำจัดออกซิเจน - ในรูปของสารเคมี ลดน้อยลง - และแยกกลุ่มเคมีภายนอกออก ซึ่งทั้งหมดใช้พลังงาน

ทีมนักเคมีจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และมหาวิทยาลัยมินนิโซตา ได้ออกแบบจุลินทรีย์เพื่อสร้างสายโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่สามารถขจัดออกซิเจนได้ง่ายขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง โดยพื้นฐานแล้วเป็นเพียงน้ำตาลกลูโคสที่แบคทีเรียกินเข้าไป และอีกเล็กน้อย ความร้อน.

กระบวนการนี้ช่วยให้สามารถผลิตสารเคมีได้หลากหลายประเภทในปัจจุบันซึ่งทำจากน้ำมันและก๊าซ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลิตภัณฑ์อย่างเช่น น้ำมันหล่อลื่นที่ทำจากไฮโดรคาร์บอนสายโซ่กลาง ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนระหว่าง 8 ถึง 10 อะตอมในห่วงโซ่

"ปัญหาส่วนหนึ่งของการพยายามย้ายไปทำบางอย่าง เช่น กลูโคสเป็นวัตถุดิบในการผลิตโมเลกุลหรือเพื่อขับเคลื่อนอุตสาหกรรมเคมีก็คือ โครงสร้างเชื้อเพลิงฟอสซิลของปิโตรเคมีนั้นแตกต่างกันมาก โดยปกติแล้วจะลดลงจนหมด โดยไม่มีการทดแทนออกซิเจน มิเชล ชาง ศาสตราจารย์ด้านเคมีและวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลของ UC Berkeley กล่าว "แบคทีเรียรู้วิธีสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนเหล่านี้ซึ่งมีกลุ่มฟังก์ชันทั้งหมดยื่นออกมาจากพวกมัน เช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติทั้งหมด แต่การผลิตปิโตรเคมีที่เราเคยใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับอุตสาหกรรมเคมีนั้นค่อนข้างท้าทายสำหรับพวกเขา ."

"กระบวนการนี้เป็นขั้นตอนหนึ่งในการขจัดออกซิเจนให้กับผลิตภัณฑ์จุลินทรีย์เหล่านี้ และช่วยให้เราสามารถเริ่มทำสิ่งต่างๆ ที่สามารถทดแทนปิโตรเคมีได้ โดยใช้กลูโคสจากชีวมวลของพืช ซึ่งมีความยั่งยืนและหมุนเวียนได้มากกว่า" เธอกล่าว "ด้วยวิธีนี้ เราจะหลีกหนีจากปิโตรเคมีและเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่นๆ ได้"

แบคทีเรียได้รับการออกแบบเพื่อสร้างสายโซ่ไฮโดรคาร์บอนที่มีความยาวปานกลาง ซึ่งไม่เคยทำสำเร็จมาก่อน แม้ว่าแบคทีเรียอื่นๆ จะพัฒนากระบวนการของจุลินทรีย์สำหรับทำสายโซ่ที่สั้นและยาวขึ้น มากถึงประมาณ 20 คาร์บอน แต่กระบวนการนี้สามารถปรับให้เข้ากับการทำโซ่ที่มีความยาวอื่นๆ ได้อย่างง่ายดาย ชางกล่าว ซึ่งรวมถึงไฮโดรคาร์บอนสายสั้นที่ใช้เป็นสารตั้งต้นของพลาสติกยอดนิยม เช่น โพลิเอทิลีน

เธอและเพื่อนร่วมงานของเธอตีพิมพ์ผลของพวกเขาในสัปดาห์นี้ในวารสารNature เคมี

กระบวนการทางชีวภาพเพื่อผลิตโอเลฟินส์

ฟอสซิลไฮโดรคาร์บอนเป็นสายโซ่เชิงเส้นอย่างง่ายของอะตอมคาร์บอนที่มีอะตอมไฮโดรเจนติดอยู่ที่คาร์บอนแต่ละตัว แต่กระบวนการทางเคมีที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการเปลี่ยนสิ่งเหล่านี้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงนั้นไม่ยอมให้มีการแทนที่โดยง่ายโดยสารตั้งต้นที่ผลิตขึ้นโดยจุลินทรีย์ที่มีการเติมออกซิเจนและมีอะตอมของคาร์บอนที่ตกแต่งด้วยอะตอมและโมเลกุลขนาดเล็กอื่นๆ จำนวนมาก

เพื่อให้แบคทีเรียผลิตสิ่งที่สามารถทดแทนสารตั้งต้นของเชื้อเพลิงฟอสซิลเหล่านี้ได้ ชางและทีมงานของเธอ รวมถึงผู้เขียนร่วมคนแรก Zhen Wang และ Heng Song อดีตนักวิจัยดุษฎีบัณฑิต UC Berkeley ได้ค้นหาฐานข้อมูลของเอนไซม์จากแบคทีเรียอื่นๆ ที่สามารถสังเคราะห์ไฮโดรคาร์บอนสายโซ่กลางได้ . พวกเขายังค้นหาเอ็นไซม์ที่สามารถเพิ่มกลุ่มเคมีพิเศษ กรดคาร์บอกซิลิก ที่ปลายด้านหนึ่งของไฮโดรคาร์บอน เปลี่ยนเป็นสิ่งที่เรียกว่ากรดไขมัน

นักวิจัยได้ใส่ยีน 5 ยีนแยกกันเข้าไปในแบคทีเรียE. coliบังคับให้แบคทีเรียหมักกลูโคสและผลิตกรดไขมันสายกลางที่ต้องการ ปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่เพิ่มขึ้นนั้นไม่ขึ้นกับหรือตั้งฉากกับเส้นทางของเอนไซม์ของแบคทีเรียเอง ซึ่งทำงานได้ดีกว่าการพยายามปรับแต่งเครือข่ายการเผาผลาญที่ซับซ้อนของแบคทีเรีย

"เราระบุเอ็นไซม์ใหม่ที่สามารถสร้างสายโซ่ไฮโดรคาร์บอนขนาดกลางเหล่านี้ได้จริงและเป็นแบบมุมฉาก ดังนั้นจึงแยกจากการสังเคราะห์กรดไขมันโดยแบคทีเรีย ซึ่งช่วยให้เราสามารถเรียกใช้มันแยกจากกัน และใช้พลังงานน้อยกว่าที่คุณจะใช้ วิถีการสังเคราะห์พื้นเมือง" นายช้างกล่าว "เซลล์ต่างๆ ใช้กลูโคสมากพอที่จะอยู่รอด แต่หลังจากนั้น คุณมีแนวทางในการเคี้ยวน้ำตาลทั้งหมดเพื่อให้ได้ Conversion ที่สูงขึ้นและให้ผลผลิตสูง"

ขั้นตอนสุดท้ายในการสร้างกรดไขมันสายกลางนั้นทำให้ผลิตภัณฑ์สามารถแปลงสภาพได้ง่ายโดยปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาไปเป็นโอเลฟินส์ ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของโพลีเมอร์และสารหล่อลื่น

กลุ่ม UC Berkeley ร่วมมือกับกลุ่ม Minnesota นำโดย Paul Dauenhauer ซึ่งแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่เป็นกรดอย่างง่ายที่เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยากรด Lewis (หลังจากนักเคมีชื่อดังของ UC Berkeley Gilbert Newton Lewis) กำจัดกรดคาร์บอกซิลิกออกจากผลิตภัณฑ์จุลินทรีย์ขั้นสุดท้ายได้อย่างง่ายดาย -- 3-hydroxyoctanoic และ 3-hydroxydecanoic acids -- เพื่อผลิตโอเลฟินส์เฮปทีนและโนนีนตามลำดับ การเร่งปฏิกิริยาของกรด Lewis ใช้พลังงานน้อยกว่าปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ปกติจำเป็นในการกำจัดออกซิเจนออกจากผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติเพื่อผลิตไฮโดรคาร์บอนบริสุทธิ์

Dauenhauer ผู้ซึ่งอ้างถึงโมเลกุลของสารตั้งต้นเหล่านี้เป็นปิโตรเลียมชีวภาพกล่าวว่า "โมเลกุลที่หมุนเวียนได้ทางชีวภาพที่กลุ่มของศาสตราจารย์ชางสร้างขึ้นนั้นเป็นวัตถุดิบที่สมบูรณ์แบบสำหรับการกลั่นด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา "โมเลกุลเหล่านี้มีออกซิเจนเพียงพอที่เราสามารถเปลี่ยนให้เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่และมีประโยชน์มากขึ้นโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอนุภาคนาโนของโลหะ ซึ่งช่วยให้เราปรับการกระจายของผลิตภัณฑ์ระดับโมเลกุลได้ตามต้องการ เช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมทั่วไป ยกเว้นเวลานี้เราใช้พลังงานหมุนเวียน ทรัพยากร."

Heptene ที่มีคาร์บอนเจ็ดตัว และ nonene ที่มี 9 ชนิดสามารถใช้เป็นสารหล่อลื่นได้โดยตรง แตกเป็นไฮโดรคาร์บอนที่มีขนาดเล็กกว่า และใช้เป็นสารตั้งต้นของพลาสติกโพลีเมอร์ เช่น โพลิเอทิลีนหรือโพลิโพรพิลีน หรือเชื่อมโยงเพื่อสร้างไฮโดรคาร์บอนที่ยาวกว่านั้น เช่น ที่อยู่ในขี้ผึ้งและ น้ำมันดีเซล.

"นี่เป็นกระบวนการทั่วไปในการผลิตสารประกอบเป้าหมาย ไม่ว่าจะมีความยาวโซ่เท่าใด" นายช้างกล่าว "และคุณไม่จำเป็นต้องออกแบบระบบเอนไซม์ทุกครั้งที่คุณต้องการเปลี่ยนกลุ่มฟังก์ชันหรือความยาวของสายโซ่ หรือว่ามันแตกแขนงอย่างไร"

แม้จะประสบความสำเร็จในด้านวิศวกรรมเมตาบอลิซึม Chang ตั้งข้อสังเกตว่าเป้าหมายระยะยาวและยั่งยืนกว่าคือการออกแบบกระบวนการใหม่ทั้งหมดสำหรับการสังเคราะห์ไฮโดรคาร์บอนทางอุตสาหกรรม รวมทั้งพลาสติก เพื่อให้เหมาะสมกับการใช้ประเภทของสารเคมีที่จุลินทรีย์ปกติผลิตมากกว่า การปรับเปลี่ยนผลิตภัณฑ์จุลินทรีย์ให้เหมาะสมกับกระบวนการสังเคราะห์ที่มีอยู่

"มีคำถามมากมายที่น่าสนใจว่า "จะเกิดอะไรขึ้นหากเราพิจารณาโครงสร้างโพลีเมอร์ใหม่ทั้งหมด"" เธอกล่าว "เราสามารถทำโมโนเมอร์จากกลูโคสโดยการหมักสำหรับพลาสติกที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับพลาสติกที่เราใช้อยู่ในปัจจุบันได้ แต่ไม่ใช่โครงสร้างแบบเดียวกับโพลิเอทิลีนหรือโพลิโพรพิลีนซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะรีไซเคิล"

งานนี้ได้รับการสนับสนุนจาก Center for Sustainable Polymers ซึ่งเป็นศูนย์นวัตกรรมเคมีที่สนับสนุนมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (CHE-1901635) ผู้เขียนร่วมคนอื่นๆ ได้แก่ Edward Koleski, Noritaka Hara และ Yejin Min จาก UC Berkeley และ Dae Sung Park และ Gaurav Kumar จากมหาวิทยาลัย Minnesota