Главный компонент древесины, клетчатки, является одним из самых богатых органических соединений на Земле и источнике мечты возобновляемого топлива. Теперь, биоинженеры предполагают, что это могло накормить голодное также. В новом исследовании исследователи нашли способ превратить клетчатку в крахмал, наиболее распространенный углевод в рационе питания.Этанол является сегодняшним наиболее распространенным биологическим топливом, используемым для включения транспортных средств.
Это, как правило, делало сахар использования из хлебных злаков, таких как зерно и сахарный тростник, система, которую порицают критики, является расходом еды. Войдите в клетчатку.
Растения генерируют целых 180 миллиардов тонн сущности глобально в год. Компании во всем мире участвуют в гонках для производства биологических топлив из клетчатки от несъедобных растений, таких как switchgrass и тополи, выращенные на неплодородной земле, требующей небольшой воды, удобрения, гербицида и пестицидов, или от огромного количества отходов от урожая и деревообрабатывающей промышленности. Например, каждая тонна полученных зерновых злаков часто сопровождается на 2 – 3 тонны богатых клетчаткой отходов, большинство которых пропадает зря.
Теперь, впервые, кажется, что может быть практический способ, которым клетчатка могла также накормить людей, говорит биоинженер-технолог Y.-H. Персиваль Чжан из Политехнического института и университета штата Вирджиния в Блэксбурге. Он кредитует свой ход мыслей на его китайский фон. «Продовольственная безопасность всегда была вопросом о числе один в течение почти 5 000 лет китайской истории», говорит Чжан. «Без достаточного количества еды кризисы произошли и перемещенные династии». Например, голод поощрил крестьянские восстания, помогшие привести к краху Династии Сильного запаха в 9-м веке и династии Мин в 17-м веке.
Чжан и его коллеги, сосредоточенные на крахмале, составляющем целых 40% диет людей. Идея превратить клетчатку в крахмал является той, внедренной в общих чертах между составами: Клетчатка составлена из сотен к тысячам молекул сахарной глюкозы, и составы крахмала сделаны из глюкозы также, несмотря на то, что сахар соединен вместе по-разному.
Для создания конверсии исследователи взяли гены от определенных видов бактерий, почвенных грибов, и картофеля и затем генетически модифицированной кишечной палочки, различной бактерии и общей модели лаборатории, для производства необходимых ферментов. Один набор этих ферментов разламывает клетчатку на меньшие молекулы, в то время как другой набор встраивает эти компоненты в крахмал. Тогда они смешали этот коктейль ферментов с клетчаткой в стеклянном сосуде.
Вместо того, чтобы ломать клетчатку полностью к ее основным компонентам глюкозы и повторно собрать их в крахмал, первый набор ферментов ломает клетчатку к целлобиозе, состав, сделанный от пары молекул глюкозы. Следующий набор ферментов тогда разделяет целлобиозу обособленно на обычную молекулу глюкозы и молекулу, известную как G-1-P, который является глюкозой с приложенной молекулой фосфата. Этот G-1-P служит стандартным блоком цепочек амилозы молекулы крахмала. «Это – простая, но хорошая идея», говорит биоинженер Фрэнсис Арнольд из Калифорнийского технологического института в Пасадене, не принявшая участие в работе.
До сих пор, новообращенные процесса до почти одной трети клетчатки в амилозу, бригада сообщает онлайн сегодня в Продолжениях Национальной академии наук. Тот состав, который является белым порошком, когда сушится, может не только быть добавлен к еде, но может также быть превращен в прозрачные, гибкие, биоразлагаемые пластики и водород хранилища для приложений энергии.
Чжан и его коллеги даже попробовали часть конечного продукта: «Никакой вкус в начале», говорит Чжан. «После жевания некоторое время, это являлось на вкус немного приятным».Остальная часть клетчатки превращена в глюкозу, которая может быть ферментирована в биологическое топливо. «Никакая глюкоза, выпущенная от клетчатки, не тратилась впустую», говорит Чжан.
Хотя процесс работает, это дорого. Чжан оценивает, что, учитывая признак текущей цены ферментов, которые использовала его бригада, она будет стоить приблизительно $1 миллиона для превращения 200 килограммов сырой клетчатки в 20 килограммов крахмала, о достаточно для кормления углеводных потребностей одного человека в течение 80 дней. Однако, после 5 – 10 лет дальнейшего исследования Чжан говорит, что компании могли сделать ту же вещь всего за 0,50$ на человека в день. «Мы не видим больших препятствий коммерциализации этого процесса».Оптимистично принятие 100 миллиардов тонн клетчатки доступно в год, «у нас будет потенциал приблизительно 4,5 миллиардов тонн крахмала, который является почти двойным годовая выработка хлопьев — т.е.
2,3 миллиарда тонн в год теперь», говорит Чжан. Это обеспечило бы до 30% еды, что предшествующая оценка исследований необходима для кормления мира в 2050.
Однако, это остается неуверенным, будет ли подход экономически жизнеспособен, говорит экономист по энергетике Уоллес Тайнер из Университета Пердью в Уэст-Лафайетте, Индиана, кто не участвовал в исследовании. «Я не говорю, что это не будет — просто, что так рано существует и столько неуверенности, что это, кажется, очень длинный путь от коммерческого процесса», говорит он. «Это обычно имеет место, когда новые процессы вводятся».Арнольд соглашается, что, является ли процесс экономически целесообразным полный, «большой вопрос, но этому нельзя ответить в исследовании доказательства понятия, таком как этот. Я думаю, что бумага демонстрирует важную конверсионную и полную идею — это довольно холодно».*Обновление, 13:25, 16 апреля: Эта статья первоначально сообщила, что исследователи взяли гены от определенных видов бактерий.
В дополнение к взятию генов от бактерий исследователи также взяли гены от почвенных грибов и картофеля.