211service.com
Kukuřice připravená na výrobu biopaliva
Ve snaze pomoci zvýšit zásobu biopaliv v zemi vytvořili vědci tři kmeny geneticky modifikované kukuřice k výrobě enzymů, které rozkládají rostlinnou celulózu na cukry, které lze fermentovat na etanol. Začlenění takových enzymů přímo do rostlin by mohlo snížit náklady na přeměnu celulózy na biopalivo.
Výhonky a listy: Aby se usnadnilo štěpení celulózy na fermentovatelné cukry pro výrobu etanolu, Mariam Sticklen z Michiganské státní univerzity geneticky modifikuje kukuřici pomocí genů, které produkují enzymy degradující celulózu ve stoncích a listech rostliny. Enzymy se aktivují až po sklizni kukuřice, kdy je rostlina rozemleta.
V loňském roce nové federální předpisy požadovaly zvýšení produkce obnovitelných paliv na 36 miliard galonů ročně – téměř pětinásobek současné úrovně – do roku 2022. Dnes se téměř veškerý palivový etanol ve Spojených státech vyrábí z kukuřičných zrn. Aby vědci dosáhli požadovaného zvýšení, obracejí se na jiné zdroje, jako je celulóza, komplexní sacharid, který se nachází ve všech rostlinách. Listy a stonky kukuřice, prérijní trávy a dřevěné štěpky jsou hlavními kandidáty na dodávky celulózy. Celulózový etanol má mnoho výhod oproti etanolu vyrobenému z kukuřičných zrn. Celulóza je nejen extrémně hojná a levná; studie také naznačují, že výroba a používání etanolu z celulózy by mohlo vést k méně skleníkových plynů.
Avšak největší překážkou pro to, aby byl celulózový ethanol komerčně proveditelný, je rozklad celulózy. Enzymy, které rozkládají celulózu, nazývané celulázy, jsou typicky produkovány mikroby pěstovanými ve velkých bioreaktorech, což je drahý a energeticky náročný proces. Aby byl celulózový etanol skutečně konkurenceschopný, musíme tyto náklady skutečně snížit, říká Michael J. Blaylock, viceprezident vývoje systému ve společnosti Edenspace, společnosti zabývající se biotechnologií plodin se sídlem na Manhattanu, KS.
Mariam Sticklen, profesorka vědy o plodinách a půdě na Michiganské státní univerzitě v East Lansing, usoudila, že by mohla eliminovat náklady na výrobu enzymů tím, že by rostliny kukuřice produkovaly samotné enzymy. Místo toho, aby se spoléhaly na energeticky náročný proces jejich výroby v bioreaktorech, rostliny využívají k výrobě enzymů volnou energii slunce, říká.
Typicky vyžaduje rozklad celulózy tři různé celulázy. Minulý rok Sticklen oznámil, že modifikuje kukuřici genem pro celulázu, která řeže dlouhé celulózové řetězce na menší kousky. Gen pochází z mikroba, který žije v horkém prameni. O měsíc později Sticklen vložil gen odvozený z půdní houby do genomu kukuřice. Tento gen kóduje enzym, který štěpí menší kousky celulózy na páry molekul glukózy. V tomto nejnovějším úsilí Sticklen upravil kukuřici tak, aby produkovala enzym, který štěpí páry glukózy na jednotlivé molekuly cukru; enzym je přirozeně produkován mikrobem, který žije v žaludku krávy. Konečný výsledek: tři kmeny kukuřice, z nichž každý produkuje enzym nezbytný pro kompletní rozklad celulózy.
Aby se zabránilo možnosti přenosu genů na jiné plodiny nebo divoké rostliny, enzymy se produkují pouze v listech a stoncích rostliny, nikoli v jejích semenech, kořenech nebo pylu, říká Sticklen. A co víc, aby se kukuřice nemohla trávit sama, upravila rostliny tak, aby se enzymy hromadily pouze ve speciálních úložných prostorech uvnitř buněk, zvaných vakuoly. Celulázy se uvolňují až po sklizni rostliny, během zpracování. Sticklen popsala své upravené plodiny minulý týden na národním setkání American Chemical Society v New Orleans.
Ačkoli je možné začlenit všechny tři geny do jediné rostliny, říká Sticklen, použití tří různých odrůd kukuřice, z nichž každá nese jiný gen, jí umožní řídit přeměnu celulózy na cukry. Předběžné studie ukazují, že enzymy jsou stejně účinné jako komerčně dostupné enzymy, když jsou kombinovány v poměru 1: 4: 1, říká. Výsledky naznačují, že nejlepší výsledek poskytne smíchání tří různých rostlin za použití stejných poměrů.
Myslím, že strategie kompartmentalizace enzymů ve vakuolách je skvělá, říká Susan Leschineová, mikrobioložka z University of Massachusetts Amherst. Mám otázku, zda enzymy fungují za podmínek, které jsou realistické? Například různé druhy mikrobů vylučují své vlastní celulázy, které působí synergicky na odštěpování celulózových vláken. Není jasné, říká Leschine, jak dobře bude enzym odebraný z mikroba, který žije v horkém prameni, fungovat s enzymem získaným z půdní houby. Tyto různé enzymy nemusí být aktivní za stejných podmínek, říká.
Společnost Edenspace, která v současné době vyvíjí technologii Sticklen, očekává, že během roku zahájí terénní zkoušky její geneticky modifikované kukuřice s cílem komercializovat technologii během příštích tří let, říká Blaylock. Společnost není sama, kdo prosazuje tuto strategii: Agrivida, zemědělská biotechnologická společnost se sídlem v Medfordu, MA, také geneticky upravuje kukuřici, aby zjednodušila výrobu celulózového etanolu.
To je skutečně hodnotná cesta, kterou je třeba následovat, říká Michael Ladisch, profesor zemědělského a biologického inženýrství na Purdue University ve West Lafayette, IN. Na konci dne je to však složitější, než se zdá. Hlavní překážkou je najít způsoby, jak zajistit, aby enzymy přežily chemickou a fyzikální předúpravu potřebnou k odstranění ligninu – houževnatého polymeru v buněčných stěnách, který poskytuje rostlinám pevnost – z celulózových vláken, říká Ladisch, který je v současné době na dovolené. Purdue bude sloužit jako technický ředitel Mascoma, společnosti vyrábějící biopaliva se sídlem v Brightonu, MA.
Jedním z řešení je upravit rostliny tak, aby vyžadovaly pouze mírnou předúpravu. Sticklen například pracuje na snížení množství ligninu obsaženého v kukuřici a také na úpravě molekulární konfigurace ligninu, což by usnadnilo jeho rozklad. Ačkoli se její práce v současné době zaměřuje na úpravu kukuřice, Sticklen říká, že by tato technologie mohla být časem přenesena i na jiné plodiny, jako je prosa prosa.