과학자들은 생명공학 박테리아가 재생 가능한 물질로부터 비용 효과적인 화학물질/고분자를 만들 수 있는 새로운 기술을 보여주었습니다. 식물 소스
리그닌 모든 육상 식물의 세포벽을 구성하는 물질입니다. 셀룰로오스 다음으로 두 번째로 풍부한 천연 고분자입니다. 이 물질은 탄수화물로 구성되지 않은 식물에서 발견되는 유일한 중합체입니다(설탕) 단량체. 리그노셀룰로오스 바이오폴리머는 식물에 모양, 안정성, 강도 및 강성을 제공합니다. 리그노셀룰로오스 바이오폴리머는 세 가지 주요 성분으로 구성됩니다. 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 리그닌이 일종의 연결 장치로 통합되어 세포벽을 굳히는 골격을 형성합니다. 세포벽의 목화화는 식물이 바람과 해충에 대한 저항력을 가지게 하고 식물이 썩는 것을 방지합니다. 리그닌은 광대하지만 활용도가 매우 낮은 재생 가능한 에너지 자원입니다. 리그노셀룰로오스 바이오매스의 최대 30%를 차지하는 리그닌은 적어도 화학적 관점에서 볼 때 아직 개발되지 않은 보물입니다. 화학 산업은 페인트, 인공 섬유, 비료, 가장 중요한 플라스틱과 같은 다양한 제품을 생산하기 위해 주로 탄소 화합물에 의존합니다. 이 산업은 식물성 기름, 전분, 셀룰로오스 등과 같은 재생 가능한 자원을 사용하지만 이는 전체 화합물의 13%에 불과합니다.
석유를 대체할 수 있는 유망한 제품, 리그닌
실제로 리그닌은 수많은 방향족 화합물을 함유하고 있는 지구상 유일의 재생 가능한 자원입니다. 이는 방향족 화합물이 일반적으로 재생 불가능한 석유 소스에서 추출된 후 생산에 사용되기 때문에 중요합니다. 플라스틱, 페인트 등. 따라서 리그닌의 잠재력은 매우 높습니다. 재생 불가능한 화석 연료인 석유와 비교하여, 리그노셀룰로오스는 목재, 재생 가능한 자원인 밀짚 또는 억새. 리그닌은 들판과 숲에서 자랄 수 있으며 일반적으로 기후에 중립적입니다. 리그노셀룰로오스는 지난 수십 년 동안 석유에 대한 심각한 대안으로 간주되어 왔습니다. 석유는 현재 화학 산업을 주도하고 있습니다. 석유는 유용한 제품을 생산하는 데 사용되는 많은 기본 화학 물질의 원료입니다. 그러나 석유는 재생 불가능한 자원이고 점점 줄어들고 있으므로 재생 가능한 자원을 찾는 데 초점을 맞춰야 합니다. 이것은 매우 유망한 대안으로 보이는 리그닌을 등장시킵니다.
리그닌은 높은 에너지로 가득 차 있지만 이 에너지를 회수하는 것은 복잡하고 비용이 많이 드는 과정이므로 최종 결과로 생성되는 바이오 연료조차도 일반적으로 비용이 매우 높으며 현재 사용 중인 "운송 에너지"를 경제적으로 대체할 수 없습니다. 리그닌을 분해하고 이를 가치 있는 화학 물질로 전환시키는 비용 효율적인 방법을 개발하기 위해 많은 접근 방식이 연구되었습니다. 그러나 몇 가지 제한 사항으로 인해 리그닌과 같은 접촉 식물 물질의 전환이 대체 에너지원으로 사용되거나 더 비용 효율적이도록 제한되었습니다. 최근 연구는 효율적이고 생산적인 생물전환 세포 공장으로 작용하도록 박테리아(E. Coli)를 성공적으로 조작했습니다. 박테리아 매우 빠르게 성장하고 여러 개가 있으며 가혹한 산업 공정을 견딜 수 있습니다. 이 정보는 자연적으로 이용 가능한 리그닌 분해제에 대한 이해와 결합되었습니다. 작품은 에 발표되었다. 미국 국립 과학 아카데미의 회보.
Sandia 국립 연구소의 Seema Singh 박사가 이끄는 연구팀은 리그닌을 플랫폼 화학 물질로 전환하는 데 발생하는 세 가지 주요 문제를 해결했습니다. 첫 번째 큰 장애물은 박테리아 E.Coli는 일반적으로 전환에 필요한 효소를 생산하지 않습니다. 과학자들은 발효 고리에 "유도제"를 추가하여 효소를 만드는 이 문제를 해결하는 경향이 있습니다. 이러한 유도제는 효과적이지만 매우 비싸므로 바이오리파이너리 개념에 잘 맞지 않습니다. 연구진은 바닐라와 같은 리그닌 유래 화합물을 기질이자 유도제로 사용하는 개념을 시도했다. 박테리아 대장균. 이는 값비싼 유도제의 필요성을 우회하게 됩니다. 그러나 그룹이 발견한 바와 같이 바닐라는 특히 리그닌이 분해되면 대량으로 생산되어 대장균의 기능을 억제하기 시작하기 때문에 바닐라는 좋은 선택이 아니었습니다. 즉, 바닐라는 독성을 생성하기 시작합니다. 그러나 이것은 그들이 엔지니어링을 할 때 그들에게 유리하게 작용했습니다. 박테리아. 새로운 시나리오에서는 대장균에 독성이 있는 바로 그 화학 물질이 "리그닌 가치화"라는 복잡한 과정을 시작하는 데 사용됩니다. 바닐라가 존재하면 효소가 활성화되고 박테리아는 바닐린을 원하는 화학물질인 카테콜로 전환하기 시작합니다. 또한 바닐린의 양은 현재 시스템에서 자동 조절되므로 독성 수준에 도달하지 않습니다. 세 번째이자 마지막 문제는 효율성이었습니다. 전환 시스템은 느리고 수동적이어서 연구자들은 다른 박테리아의 보다 효과적인 수송체를 조사하고 이를 E. Coli로 조작한 다음 프로세스를 빠르게 추적했습니다. 이러한 혁신적인 솔루션을 통해 독성 및 효율성 문제를 극복하면 바이오연료 생산을 보다 경제적인 공정으로 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 그리고 자동 조절 기능을 통합하여 외부 유도제를 제거하면 바이오연료 제조 공정을 더욱 최적화할 수 있습니다.
일단 리그닌이 분해되면 나일론, 플라스틱, 의약품 및 기타 중요한 제품으로 전환될 수 있는 귀중한 플랫폼 화학 물질을 제공하거나 오히려 "수여"할 수 있는 능력이 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. - 재생 가능한 에너지 원. 이 연구는 바이오 연료 및 바이오 생산을 위한 비용 효율적인 솔루션을 연구하고 개발하는 단계와 관련이 있습니다. 생명 공학 기술을 사용하여 박테리아 E.Coli뿐만 아니라 다른 미생물 숙주를 사용하여 더 많은 양의 플랫폼 화학 물질과 여러 다른 새로운 최종 제품을 생산할 수 있습니다. 저자의 향후 연구는 이러한 제품의 경제적인 생산을 입증하는 데 중점을 둘 것입니다. 이 연구는 에너지 생성 과정과 녹색 제품에 대한 가능성의 범위 확장에 큰 영향을 미칩니다. 저자들은 가까운 미래에 리그노셀룰로오스가 석유를 대체하지 않는다면 석유를 확실히 보완해야 한다고 말합니다.
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출처
Wu et al. 2018. 리그닌 밸류에이션을 위한 자동 조절 시스템을 갖춘 대장균 조작을 향하여', 과학 국립 아카데미의 절차. 115(12). https://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
