Влияние синтетической биологии на разработку био-растворителей и химических веществ

Передовые методы, такие как редактирование генов CRISPR-Cas9, направленная эволюция и машинное обучение, ускорили темпы развития штамма. Исследователи теперь могут предсказать, какие генетические изменения увеличат урожайность, титр или производительность. Например, исследование 2021 года, опубликованное в Природный катализ , продемонстрировало вычислительный подход, который сократил время, необходимое для разработки штамма дрожжей для производства изобутанола от лет до месяцев.

Кормовые запасы: от отходов к стоимости

В то время как биохимические вещества первого поколения часто используют продовольственные культуры, такие как кукуруза или сахарный тростник, синтетическая биология позволяет использовать сырье второго и третьего поколения. Сельскохозяйственные остатки (поглощение кукурузы, солома пшеницы), отходы лесного хозяйства и твердые коммунальные отходы могут быть разбиты на ферментативные сахара. Совсем недавно исследователи разработали микробы, которые могут потреблять газы С1, такие как окись углерода и CO2, часто получаемые из промышленных выбросов. Такие компании, как LanzaTech , коммерциализировали этот подход, превращая отходы сталелитейного завода в этанол и другие химические вещества платформы.

Био-растворы: от лаборатории к рынку

Этанол, бутанол и другие

Растворители на биооснове являются одними из самых успешных продуктов синтетической биологии. Этанол, производимый дрожжевой ферментацией, веками использовался в качестве растворителя. Однако современные инженерные штаммы могут производить этанол в более высоких концентрациях и переносить повышенные уровни ингибиторов, присутствующих в лигноцеллюлозных гидролизатах.Растения этанола второго поколения в настоящее время коммерчески работают в США, Бразилии и Европе.

Бутанол (в частности n-бутанол и изобутанол) обладает превосходными свойствами растворителя по сравнению с этанолом — он имеет более высокую плотность энергии, более низкое давление пара и лучшую смешиваемость с углеводородами. Бутанол используется в красках, покрытиях, клеях и в качестве промежуточного продукта для производства бутилакрилата. Синтетическая биология возродила интерес к ферментации ацетона-бутанола-этанола (ABE) с помощью инженерных Clostridia штаммов с более высокими выходами. Например, Gevo использует инженерные дрожжи для производства изобутанола, который может быть дополнительно преобразован в реактивное топливо, бензин и устойчивые растворители.

Новые биорастворители

Другие био-растворы, набирающие тягу, включают:

• Эфиры молочной кислоты (например, этилактат) — полученные в результате ферментации молочной кислоты, используемые в качестве биоразлагаемых растворителей в чистящих средствах и производстве электроники.
• Циклический дигликол (Cyrene) — получен из левоглюкозенона, полученного из целлюлозы, диполярного апротического растворителя, который может заменить N-метил-2-пирролидон (NMP) и диметилформамид (DMF), оба из которых сталкиваются с нормативными ограничениями из-за токсичности.
• 2-метилтетрагидрофуран (2-MeTHF) — получен из фурурал (из гемицеллюлозы), используется в реакциях Гриньяра и в качестве более зеленой альтернативы тетрагидрофурану (THF).
• Гамма-валеролактон (GVL) — производится из левулиновой кислоты (из лигноцеллюлозы), используется в качестве растворителя и в качестве предшественника возобновляемых полимеров.

Синтетическая биология необходима для оптимизации микробных путей, которые производят эти молекулы. Например, исследователи из Объединенного института биоэнергетики (JBEI) разработали E. coli для производства левулиновой кислоты непосредственно из глюкозы, минуя необходимость химической конверсии биомассы.

Био-химическая платформа: создание блоков для круговой экономики

янтарная кислота

Лекарственная кислота является четырехуглеродной дикарбоновой кислотой, перечисленной Министерством энергетики США в качестве одного из основных химических веществ с добавленной стоимостью из биомассы. Она служит предшественником полибутиленсукцината (PBS) - биоразлагаемого полиэстера, используемого в упаковке, а также для растворителей, пластификаторов и ингибиторов коррозии. Несколько компаний, включая BioAmber и Reverdia (совместное предприятие DSM и Roquette), коммерциализировали био-бактериальную кислоту с использованием инженерных дрожжей и бактерий. Синтетическая биология позволила этим штаммам производить янтарную кислоту при почти теоретических выходов, перенося низкий pH, упрощая обработку вниз по течению.

Молочная кислота и полярная кислота (PLA)

Молочная кислота производится бактериальной ферментацией и используется в пищевых продуктах, фармацевтических препаратах и косметике. Ее полимер, полимолочная кислота (PLA), является наиболее широко используемым биопластиком. Синтетическая биология улучшила производство молочной кислоты с помощью инженерных Corynebacterium glutamicum и Bacillus coagulans , чтобы расти при высоких температурах (термофильные штаммы), снижая затраты на охлаждение и риск загрязнения. Результатом является падение цены PLA с более чем 2 долларов США / кг в 1990-х годах до менее 1 доллара США / кг сегодня, согласно анализу 2023 года в Bioresource Technology .

1,4-бутандиол (БДО)

BDO — это сыпучий химикат, используемый в производстве спандекса (полиуретана), тетрагидрофурана (ТГФ) и инженерных пластмасс. Традиционно изготавливаемый из ацетилена или бутана, Genomatica разработала штамм E. coli, который производит БДО непосредственно из сахара. Процесс, который использует синтетическую биологию для создания совершенно нового метаболического пути, был масштабирован до коммерческого производства в партнерстве с DuPont Tate & Lyle. Оценка жизненного цикла 2022 года показала, что био-BDO снижает выбросы парниковых газов до 90% по сравнению с нефтехимическим маршрутом.

Аминокислоты и специальные химические вещества

L-лизин, L-метионин и L-треонин производятся в миллионных масштабах посредством ферментации, с синтетической биологией, оптимизирующей углеродный поток, устраняющей ингибирование обратной связи и позволяющей производить неканонические аминокислоты. Эти аминокислоты используются в кормах для животных, фармацевтических препаратах и в качестве строительных блоков для полиамидов (например, PA 5.10). Аналогичным образом, такие компании, как Amyris, используют синтетическую биологию для производства фарнеза, сесквитерпена, который служит основой для растворителей, смазочных материалов и косметических ингредиентов, уменьшая зависимость от нефтехимических веществ.

Преимущества синтетической биологии - основанное на химическом производстве

Экологическая устойчивость

Оценки жизненного цикла последовательно показывают, что химические вещества на биооснове имеют более низкий углеродный след, чем их аналоги, полученные из ископаемых. Это связано с тем, что углерод в продукте на биооснове происходит из атмосферного CO2, фиксируемого растениями во время фотосинтеза, создавая замкнутый углеродный цикл. Кроме того, многие процессы проводятся при температуре и давлении окружающей среды, снижая спрос на энергию. Например, производство янтарной кислоты на биооснове выделяет примерно 1,5 кг CO2e на кг, в то время как нефтехимический маршрут выделяет около 5,5 кг CO2e на кг (источник: ] Обзор 2022 года в Биоразложение ].

Снижение токсичности и опасности

Нефтехимические растворители, такие как толуол, бензол и хлорированные соединения, являются известными канцерогенами или нейротоксинами. Био-альтернативы, такие как этиллактат, Кирен и 2-МЕТФ, имеют значительно более низкие профили токсичности. Они также более легко биоразлагаются, снижая стойкость в окружающей среде. Замена опасных растворителей является ключевым фактором для принятия в таких отраслях, как очистка электроники, где старые растворители (например, перхлорэтилен) были запрещены или ограничены.

Экономика процессов и масштабируемость

Хотя микробная ферментация часто требует значительных капитальных затрат на биореакторы и стерилизацию, синтетическая биология привела к снижению затрат за счет улучшения штаммов. Доходность в настоящее время обычно превышает 90% теоретического максимума для многих продуктов. Непрерывная ферментация и удаление продуктов in situ (например, с использованием мембранной экстракции или газоразборки) еще больше повышают производительность. В докладе 2023 года McKinsey подсчитал, что химические вещества на основе биоматериалов могут захватить 30-40% мирового химического рынка к 2035 году, если текущие тенденции затрат продолжатся.

Новое химическое пространство

Возможно, самым захватывающим преимуществом является способность производить молекулы, которые трудно синтезировать нефтехимически. Примеры включают длинноцепочечные дикарбоновые кислоты (для высокопроизводительных полиамидов), природные ароматы и ароматы (ваниллин, нооткатон) и циклические пептиды с фармацевтической активностью. Синтетическая биология позволяет комбинировать ферменты из различных организмов, создавая пути, которые не существуют в природе. Это открывает совершенно новые классы растворителей и химических веществ с индивидуальными свойствами - например, ионные жидкости на основе био, которые негорючи и перерабатываются.

Проблемы на пути к широкому усыновлению

Технические трудности

Масштабирование микробных процессов от лабораторных колб (миллилитров) до промышленных биореакторов (тысяч литров) неизбежно выявляет неэффективность. Перенос кислорода, контроль рН и рассеивание тепла становятся ограничивающими. Многие организмы также производят ингибирующие рост побочные продукты при высоких концентрациях. Решения синтетической биологии включают генетические схемы, которые отделяют рост от производства (двухступенчатая ферментация), адаптивная эволюция лаборатории и использование экстремофилов (например, ]Bacillus subtilis , спроектированных для переноса высоких титров растворителей. Несмотря на прогресс, многие перспективные молекулы остаются застрявшими в пилотном масштабе из-за этих проблем.

Регулирование и принятие рынка

Биохимические вещества должны быть одобрены такими агентствами, как EPA США (в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами) и Европейским химическим агентством (REACH). Регуляторный путь может занять годы и стоить миллионы, особенно для новых веществ, которые не имеют данных о токсичности. Кроме того, этикетка на основе био-препаратов не автоматически дает признание рынка; клиенты требуют эквивалентной или превосходной производительности по конкурентоспособной цене. Например, в то время как био-бактериальный 1,4-бутандиол химически идентичен версии, полученной из нефти, некоторые производители требуют длительных квалификационных процессов.

Доступность и конкуренция в кормовом секторе

Хотя сырье второго поколения более устойчиво, его сбор и переработка стоят дороже, чем кукуруза или сахарный тростник. Лигноцеллюлоза содержит гемицеллюлозу и лигнин, которые трудно ферментировать. Разрабатываются генно-инженерные микробы, которые совместно ферментируют глюкозу, ксилозу и арабинозу, но их производительность в промышленных гидролизатах (которые содержат ингибиторы, такие как фурурал и уксусная кислота) остается неоптимальной. Кроме того, землепользование для биомассы может конкурировать с производством продуктов питания, хотя это может быть смягчено с помощью потоков отходов или выделенных энергетических культур, выращенных на маргинальных землях.

Общественное восприятие и коммуникация

Синтетическая биология часто сталкивается со скептицизмом со стороны потребителей, обеспокоенных генетически модифицированными организмами (ГМО). В то время как промышленная ферментация обычно содержится и не включает выброс ГМО в окружающую среду, общественная реакция может повлиять на репутацию бренда. Прозрачная связь, маркировка и сторонние сертификаты (например, сертифицированная био-база USDA) являются важными инструментами. Отрасль также выигрывает от сотрудничества с академическими учреждениями для предоставления независимых данных о жизненном цикле и безопасности.

Будущие перспективы и новые тенденции

Интеграция с газовой ферментацией C1

Одним из наиболее интересных направлений является использование синтетической биологии для создания организмов, которые потребляют газы с одним углеродом (C1) — CO, CO2 и CH4. Такие компании, как Novo Nouve и Kiverdi , разрабатывают Clostridium и гидрогенотрофные метаногены для преобразования промышленных выбросов в уксусную кислоту, ацетон и изопропанол. Если эта технология созреет, она может полностью отделить химическое производство от сельского хозяйства, используя отходы CO2 в качестве сырья.