Synthetic Biology and Microbial Electrosynthesis

Synthetische Biologie und mikrobielle Elektrosynthese

Bild mit freundlicher Genehmigung: Shawn Garcia, Washington College in St. Louis

Mikrobielle Elektrosynthese (MES) beschreibt einen synthetischen biologischen Ansatz zur Umwandlung von Kohlendioxid2 verschiedener Kohlenstoffverbindungen durch elektrochemische Reaktionen von elektrolytischen Biokatalysatoren und Elektrode

Durch extrazelluläre Elektronenaufnahme (EEU) von den Elektroden wandeln diese Biokatalysatoren Kohlendioxid um2 Für Produkte wie erneuerbare Biokraftstoffe und Biokunststoffe in einem CO2-negativen Prozess. Herstellung von Biokraftstoffen und Biokunststoffen durch die MES-Station Es erfordert minimale Inputs und etabliert sich als sehr nachhaltige Produktionsmethode. Die Identifizierung von Mechanismen der Biokatalysator-Elektronenaufnahme und das Engineering von Biokatalysatoren ist ein wichtiger Teil des Ansatzes der synthetischen Biologie bei MES, ebenso wie Mechanismen der Skalierbarkeit und weiteren Produktbildung.

Frühere Arbeit im Bose-Labor am photoferrotrophen Modell R. palustris TIE-1 (TIE-1), beides Klassifikatorfaktoren, die an der Elektronenaufnahme beteiligt sind (1) und konstruierte Deletionsmutanten, die eine erhöhte Produktbildung zeigen (2). Zum Beispiel führten TIE-1-Deletionsmutanten, denen Stickstofffixierungswege fehlten, zu einer erhöhten Produktion (im Vergleich zum Wildtyp) von n-Butanol, ein erneuerbarer Biokraftstoff (2). Das Entfernen der elektronenverbrauchenden Stickstofffixierung leitet Elektronen zum Ziel um n-Butanol-Biosyntheseweg, was zu einer Erhöhung führt n-Butanolproduktion während der MES-Periode. Die Arbeit mit diesen Deletionsmutanten weist darauf hin, dass die Schaffung alternativer elektronenfreisetzender Mutanten für Biokraftstoff- und Biokunststoffproduktionsprozesse zur Steigerung der EEU-Effizienz und Produktbildung produktiv sein könnte.

Machbarkeit der Erzeugung erneuerbarer Energie im Labormaßstab

Während die Laborarbeit von Bose die Machbarkeit der Erzeugung erneuerbarer Energie im Labormaßstab gezeigt hat, bleiben Engpässe in Bezug auf große terrestrische und elektronische Anlagen. Insbesondere die geringe Produktionseffizienz ist das größte Hindernis für die industrielle Industrialisierung von Biokraftstoffen und Biokunststoffe über MES. Obwohl die Entfernung des Stickstofffixierungsweges die Biokraftstoffproduktion verbesserte, sind die aktuellen phototrophen phototrophen Fähigkeiten von TIE-1 immer noch weitgehend durch niedrige EEU-Raten begrenzt. Eine geringere Ausbeute führt zu höheren Produktionskosten, was ein erhebliches finanzielles Hindernis für die Skalierbarkeit darstellt. Daher sind weitere Fortschritte in der synthetischen Biologie und im Stoffwechsel-Engineering notwendig, um sicherzustellen, dass die Umweltvorteile von MES in größerem Maßstab realisiert werden.

Es gibt viele andere vielversprechende Forschungswege zur Steigerung der Produktionseffizienz neben dem Löschen elektronenverbrauchender Pfade. Beispielsweise kann eine Überexpression der Biosynthesewege von Enzymen, die an der Kohlenstofffixierung beteiligt sind, eine erhöhte Kohlenstoffumwandlung erleichtern und somit zunehmen nHerstellung von Butanol und Biokunststoffen. Darüber hinaus können gentechnisch veränderte mikrobielle Stämme mit größerer Toleranz gegenüber verschiedenen Umweltbedingungen Temperatur, Salzgehalt, pH-Wert und Druck erhöhen, um die Effizienz des Bodenkraftwerks zu verbessern. Es hat sich gezeigt, dass steigende Temperaturen die Ausbeute verstärken, indem sie den Elektronen- und Kohlendioxidtransfer verbessern2 Löslichkeit in Bakterienwachstumsmedien (3). Die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Biorohstoffen auf Fabrikebene mit MES hängt von Fortschritten in diesen Bereichen ab. In größerem Maßstab hat die CO2-negative Produktion von Biokraftstoffen und Biokunststoffen das Potenzial, die nachteiligen Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt einer breiten historischen Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu mildern. Bemühungen in der Synthetischen Biologie zielen darauf ab, diese Ziele in Zukunft erreichbar zu machen.

Verweise:

  1. Gupta, D.; et al. Phototrophe produzieren den PioAB-Elektronenkanal für die extrazelluläre Elektronenaufnahme. Mbeo 10(2019).
  2. Bai, W., Ranaivoarisoa, TO, Singh, R., Rengasamy, Ok. & Bose, A. n-Butanol by Rhodopseudomonas palustris TIE-1 manufacturing. Gemeinsame Biol 41257 (2021).
  3. Ren, H., Jiang, C. & Chae, J. Einfluss der Temperatur auf eine mikrobiologische Miniatur-Brennstoffzelle (MFC). Meldungen von Mikro- und Nanosystemen 513 (2017).

Dieses Stück wurde geschrieben und präsentiert von Prem Prabhakar, Anjali Rajkumar und Arpita Bose

#Synthetische #Biologie #und #mikrobielle #Elektrosynthese

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *