Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование генетики в производстве биотоплива

Дубровин Даниил Андреевич Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова

Топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, путем переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои и др. Различают жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания -- этанол, биодизель), твердое (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород).

Поколения растительных биотоплив

Растительное сырье разделяют на поколения.

Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в биодизель.

Растительные крахмалы и сахара перерабатываются на этанол. Однако такое сырье оказалось крайне неудобным: помимо затратного землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв, удобрениях и пестицидах его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Такое сырье относят к первому поколению.

Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно чем у культур первого поколения. Такое сырье содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья -- занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

Третье поколение сырья -- водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.

Виды топлив

Биотоплива разделяют на твердые, жидкие и газообразные. Твердые -- это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы (прессованные мелкие остатки деревообработки).

Жидкие топлива -- это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут.

Газообразные топлива -- различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.

Использование генетики в производстве биотоплива

Хорошее биотопливо невозможно получить без участия генной инженерии - такой общий вывод можно сделать из двух исследований, одно из которых проведено в Бельгии, а другое в США. Чтобы эффективнее выделять спирт из природного сырья, учёные предлагают генетически модифицировать либо сами растения, либо перерабатывающие их микроорганизмы.

Исследуя «классическое» лабораторное растение резуховидку Таля, или арабидопсис (Arabidopsisthaliana), Бурьян и его коллеги обнаружили, что за биосинтез лигнина отвечает особый фермент, обозначаемый как CSE. Он кодируется одним геном, который учёные и попытались изъять из ДНК. Это не помешало растениям вырасти, и хотя они были примерно на треть ниже ростом, чем их «нормальные» собратья, содержание лигнина в клетках снизилось на 36 процентов.

Бельгийские биологи надеются, что их экспериментальные наработки найдут воплощение в биотехнологии, которая избавит производителей биотоплива от дорогостоящих термических процедур выделения лигнина из древесины, а следовательно, нивелирует потребность в выращивании пшеницы, кукурузы и других ценных пищевых культур специально для выработки горючего.

А вот учёные из университета американского штата Мичиган под руководством Сяся Линь «биосоюз» из кишечной палочки и грибков, способный перерабатывать целлюлозу и другие части растительной биомассы в другой спирт - изобутанол. Авторы этого исследования попытались разделить «ответственность» и стадии производства биотоплива. Они воспользовалась тем, что геном кишечных палочек достаточно хорошо изучен и легко поддаётся модификации. Его изменили таким образом, что бактерия начинала использовать сахара для производства молекул изобутанола и при этом не мешала жизни грибков. В этом биологам помогла особая математическая модель, позволившая отсечь самые невыгодные штаммы микробов, не выращивая их.

И такой «союз», по данным учёных, оказался способный перерабатывать биомассу из листьев и стеблей кукурузы с достаточно высокой эффективностью - 60% от теоретического максимума. Данный КПД уже может оказаться достаточным для успешного применения этой системы при коммерческом производстве биотоплива.

Кукуруза (Zeamays) действительно обладает весьма длинной ДНК -- 2,3 миллиарда пар оснований, это немногим меньше человеческой. Отметим, что в качестве основной была использована инбредная линия (inbredstrain) маиса B73, широко используемая как в коммерческих, так и в научных целях.

Ныне генетики получили информацию о 32 500 кодирующих белки генов, расположенных в разных частях 10 хромосом кукурузы. (В 2008 году было выдвинуто предположение, что генов порядка 50 тысяч, но теперь многие данные были уточнены, и результаты пересмотрели.)

Основными мировыми производителями кукурузы являются США, Китай и Бразилия. Кстати, в США самый кукурузный штат - Айова. Его так и называют: «штат высокой кукурузы» (TheTallCornState).

Оказалось, что 85% генома составляют транспозоны (transposon), элементы, копирующие и вставляющие себя в случайном порядке по всей длине ДНК и вызывающие её мутации. Они сильно осложняют работу генетиков, запутывая учёных повторами в кодах.

«То разнообразие, которое мы наблюдаем сегодня, является следствием давнего удвоения генома кукурузы. Несколько миллионов лет назад появилось 20 хромосом, затем постепенно часть ДНК была выброшена за ненадобностью. И растение вернулось к первоначальному числу хромосом -- 10», -- рассказывает ДоринУэйр (DoreenWare), представляющая частную некоммерческую лабораторию CSHL. До сих пор в геноме встречаются до четырёх копий одного итого же гена. Однако этот процесс, вероятно, позволил растению лучше приспособиться к меняющимся условиям окружающей среды.

«Сейчас у нас на руках своеобразное руководство по эксплуатации, позволяющее установить, как нам вырастить лучшую в мире кукурузу, -- говорит в пресс-релизе Ричард Уилсон (RichardWilson), директор Центра расшифровки геномов университета Вашингтона в Сент-Луисе (GenomeSequencingCenter), который и руководил всем процессом. - Зная расположение генов, отвечающих за те или иные черты, мы можем вывести такой тип растения, который будет идеально подходить под наши насущные нужды».

После расшифровки «центрального» генома исследователи взялись за другие сорта, после чего сравнили полученные данные. Так, Луис Эррера-Эстрелла (LuisHerrera-Estrella) и его коллеги из исследовательского центра мексиканского национального политехнического института (CINVESTAV) занялись разновидностью Palomero. Она отделилась от B73 около девяти тысяч лет назад, примерно тогда, когда кукуруза была впервые одомашнена (культурные растения были выведены из дикорастущих представителей вида с общим названием Zea).

Маис - одно из самых востребованных в мире растений. Только США ежегодно продают кукурузы на $47 миллиардов (фото forestlady/flickr.com).

Геном Palomero примерно на 400 миллионов нуклеотидов «компактнее» и содержит на 20% меньше повторяющихся фрагментов

ДНК, установили мексиканцы. «В этой разнице с лёгкостью помещаются три генома столь любимого биологамиарабидопсиса или один геном риса, -- отмечает биолог Виргиния Уалбот (VirginiaWalbot) из Стэнфорда, соавтор ещё одной статьи. -- Данная разница появилась во времена одомашнивания и разведения кукурузы».

Команда Эрреры-Эстреллы обнаружила несколько интересных особенностей, рассказывающих об историческом наследии растения. И у B73, и у Palomero присутствовали десятки генов, относящихся к борьбе с природным стрессом и токсическим отравлением тяжёлыми металлами, которые отсутствовали у прародителя (теосинте - травы, произрастающей в Мексике и Центральной Америке). Это означает, что они появились позднее. Находке есть логичное объяснение. Геологические данные свидетельствуют о том, что в период 8500-10 500 лет назад в трансмексиканском вулканическом поясе происходили частые извержения вулканов (с сопутствующим выбросом тяжёлых металлов).

Так как этот регион близок к местам, где собственно и одомашнивалась культура, учёные предположили, что вулканическая активность привела к изменениям в окружающей среде, а они в свою очередь инициировали приспособление растений и изменение их генетического материала.

Любопытные факты: у кукурузы примерно на треть больше генов, чем у человека, а отличия в ДНК двух растений из разных линий могут быть больше, чем между человеком и шимпанзе.

Следующая команда учёных изучила гаплотипы (haplotype) -- близкие группы генов, разделяющие общие функции и происхождение 27 разновидностей кукурузы. Под руководством генетика Эдварда Баклера (EdwardBuckler) из Службы сельскохозяйственных исследований США они проверили отдельные регионы ДНК, богатые генами. Таким образом были изучены тысячи генов, расположенных близ центров хромосом, которые не могли там оказаться в процессе рекомбинации. Между тем рекомбинация - для биологов очень важный процесс. Он позволяет селекционерам отобрать наиболее нужные характеристики, соединить их в одном растении (посредством скрещивания отдельных инбредных линий). В результате на свет появляются растения, обладающие лучшими свойствами своих предков. Без рекомбинации многие гены остаются вне доступа агрономов.

Патрик Шнабле (PatrickSchnable) и его коллеги из университета Айовы исследовали различия в геномах инбредных линий B73 и Mo17. Они обнаружили, что в каждой ДНК присутствуют сотни генов, не встречающиеся у «собрата». Благодаря нынешней серии исследований стало гораздо легче получить растения очень высокого качества, достаточно объединить в гибриде лучшие гены от обоих этих родителей, подводит итог Баклер.

Учёные сравнивали, к примеру, часть шестой хромосомы кукурузы линий B73 и Mo17. Видно, что на отрезке с 42,2 по 44,8 мегабазы присутствует особенно много различий в положении пар оснований. Красный - полное совпадение, синий - хорошо сохранилось, чёрный - значительное расхождение (иллюстрация PLoSGenetics рис. 1).

Рис. 1

Теперь биологи могут протестировать семена растений на нужные ДНКмаркеры (DNA marker), установить присутствие определённых гаплотипов. У них не будет необходимости выращивать взрослые растения, чтобы понять, обладают ли они нужными для сельского хозяйства признаками (например, высокой плодородностью, устойчивостью к засухам или, наоборот, сырости, низкой питательности почвы).

Веками обычные крестьяне и селекционеры отбирали лучшие сорта кукурузы, чтобы получать большие вкусные початки.

Теперь Zeamays также используется для получения крахмала и масла, а также как основной источник этанола. В будущем могут понадобиться те качества культуры, о которых сейчас и не задумываются. Как бы то ни было, «прочитанный геном позволит создавать инструменты, которые облегчат работу с растениями».

Предложен новый способ производства биотоплива с помощью ГМ-бактерий.

Американским генетикам удалось вывести бактерий, которые, поедая сельскохозяйственные отходы, способны производить более дешевый и экологически безопасный аналог современных видов биотоплива.

Растущий спрос на нынешние источники биодизеля -- кукурузу и др. -- привел к повышению цен на некоторые основные продукты питания, передаче пахотных земель под топливные культуры и ускорению обезлесения. Некоторые исследователи также сомневаются, в прошлом году мир потребил 7,6 разумно ли пытаться снизить выбросы млрд литров биотоплива парниковых газов за счет биотоплива, ведь полевые работы и производство все равно приводят к немалому загрязнению.

Один из основных аспектов производства биотоплива -- химическое преобразование масел, содержащихся в растениях. Американские биологи утверждают, что им удалось вывести генетически модифицированную версию скромных бактерий EscherichiaColi, которые могут делать это более эффективно и дешевле. Микроорганизмы питаются простыми сахарами, содержащимися в древесной стружке, соломе и другой биомассе, выделяя молекулы топлива.

«Мы включили ген, который позволяет производить биодизель напрямую, -- говорит ведущий автор исследования Джей Кислинг из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. -- Генетически модифицированная кишечная палочка выделяет биодизель из клетки, и это означает, что нам не нужно «взламывать» клетку для получения топлива. Это существенно сказывается на стоимости производства. Кроме того, биодизель не растворяется в воде, но всплывает, как любое масло. Это позволяет экономить на расходах на обработку».

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Генетики вывели новый штамм бактерий, вырабатывающих равноценное бензину биотопливо.

Хотя перспективы замены традиционного ископаемого топлива новым биотопливом весьма привлекательны, до последних дней человечеству не удавалось разработать сколь либо существенных технологий добычи чистого биотоплива. На сегодняшний день, то биотопливо, которое удается синтезировать в лабораториях, нельзя использовать как отдельный источник энергии - это топливо используется как усиливающая добавка к авиационному топливу, керосину, реже - к бензину. Такая “непопулярность” биологического топлива связана с тем, что продукт, вырабатываемый бактериями, состоит из углеродных цепей, которые отличаются по форме от своих “бензиновых” собратьев. Такая форма цепочки не позволяет топливу моментально сгореть в двигателе, что крайне неэффективно, но более того, существующее биотопливо крайне коррозийно и зачастую разрушает двигатели внутреннего сгорания.

Существует два пути выхода из топливного кризиса: первый путь потребует коренной перестройки двигателей, на что придется потратить немало средств и времени, а второй путь еще более дорогостоящ - в производство биотоплива придется вводить стадии обработки “сырого” продукта, дабы привести углеродные цепочки к их нормальному виду.

Однако группа ученых Экстерского университета, под руководством Джона Лав, нашла весьма оригинальное решение этой проблемы. Во избежание больших затрат на производстве биотоплива, ученые собрали генетический материал у сине-зеленых водорослей, камфорных деревьев, а также некоторых почвенных бактерий, затем этот ДНК-материал был введен в структуру ДНК бактерий рода кишечных палочек (ColiEscherichia). После этого, генномодифицированные бактерии, питающиеся глюкозой, стали вырабатывать особый фермент, который в две стадии превращает сахар в углеводороды схожие по строению с углеводородами, которые получаются в процессе перегонки нефти. На первой стадии бактерии трансформируют сахар в насыщенные кислоты, а затем и в углеводород.

Выведенные путем генной модификации штаммы бактерий E. Coli могут потреблять глюкозу, производимой живой биомассой растений. Однако на данный момент “рацион” этих бактерий крайне узок и не позволяет использовать их в промышленном масштабе. Для запуска массового производства нового топлива ученым еще долго предстоит изменять генокод бактерий, чтобы новые виды могли питаться различными отходами сельскохозяйственной отрасли.

Мир вступает в эру биоэкономики, то есть экономики, основанной на биотехнологиях, использующей возобновляемое сырье для производства энергии и материалов.

В экологии биоэкономика позволяет предотвращать загрязнение окружающей среды, снижать объемы выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, и других ядовитых веществ.

Активное использование возобновляемых источников энергии из сельскохозяйственного сырья наблюдается в США, Японии, Бразилии, Китае, Индии, Канаде, странах ЕС.

Международная энергетическая ассоциация (IEA) прогнозирует, что к 2030 г. мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн т энергетического эквивалента нефти. Ежегодные темпы прироста производства составят 7-9%. В результате до 2030 г. доля биотоплива в общем объеме топлива в транспортной сфере достигнет 4-6%

биотопливо модифицированный бактерия генетика

Список использованной литературы

1. Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. Биотоплива // Успехи химии. 2010. Т. 79. № 6. С. 544-564.

2. Назаренко Л.В. Биотопливо: история и классификация видов биотоплива // Вестник МГПУ. Серия «Естественные науки». 2012. № 2 (10). С. 16-32.

3. Моисеев И.И., Тарасов В., Трусов Л. Эволюция биоэнергетики. Время водорослей// The Chemical Journal. 2009. Декабрь. С. 24-29.

4. Назаренко Л.В. Биотопливо: история и классификация видов биотоплива // Вестник МГПУ. Серия «Естественные науки». 2012. № 2 (10). С. 16-32.

5. Храменков С., Козлов М. и др. Ресурс особого назначения. Использование потенциала очищенной воды городов для производства биотоплива // Вода Magazine. 2011. № 1 (41). C. 18-22

Размещено на Allbest.ru