Разработан способ замены пальмового масла

Исследователи из Департамента химической инженерии и прикладной химии Университета Торонто показали, что специализированные бактериальные сообщества способны производить среднецепочечные карбоновые и жирные кислоты (СЦЖК). Эти соединения используются в косметике, пищевой промышленности, антимикробных средствах и поверхностно-активных веществах. Результаты исследования опубликованы в Nature Microbiology.

«Химические вещества, на которые мы здесь обращаем внимание, известны как среднецепочечные карбоновые кислоты. Мировой рынок этих веществ составляет около 3 миллиардов долларов».

Бактериальная ферментация как промышленная модель

Ученые исследовали бактерии, удлиняющие цепи (CEB). Они развиваются в бескислородной среде и в естественных условиях живут в почвах, осадках и кишечных экосистемах. Их ключевая особенность — способность собирать органические молекулы в цепочки разной длины при ферментации простых субстратов.

В отличие от традиционного подхода, где используются очищенные сахара из сельскохозяйственного сырья, команда предлагает питать бактерии органическими отходами. Это могут быть остатки пищевой промышленности, материалы из систем переработки органики или побочные продукты агропромышленного сектора, включая молочные отходы.

Лоусон отмечает:

«Мы хотим использовать штаммы бактерий, которые производят СЦЖК естественным путем, посредством простого процесса ферментации. Это похоже на то, как дрожжи метаболизируют сахар в этанол в пивоваренной промышленности».

Нестабильность продукта и управление процессом

Главная технологическая трудность заключается в непредсказуемости результата. В идеале бактерии должны производить октановую кислоту (C8) — наиболее ценную среди среднецепочечных жирных кислот. Однако в реальных условиях они часто переключаются на синтез бутирата (C4), который имеет меньшую коммерческую ценность.

«Мы хотим, чтобы они производили октановую кислоту. Но часто они производят бутират. Какой продукт получится, зависит от условий, и до сих пор это было практически невозможно предсказать», — говорит Лоусон.

Команда установила, что решающим фактором является соотношение ацетата и лактата — простых органических молекул, используемых бактериями как исходное сырье. Изменение их баланса напрямую влияет на длину углеродной цепи конечного продукта.

Как формируются молекулы разной длины

Отдельное внимание уделено ферменту КоА-трансферазе (CoAT). Он участвует в ключевом этапе формирования конечных кислот и фактически «решает», какой длины будет молекула.

У одних бактерий этот фермент способен работать с промежуточными соединениями до 8 атомов углерода, что позволяет получать более ценные продукты. У других он ограничен короткими цепями, что приводит к образованию только бутирата. Таким образом, различия в активности одного фермента оказываются критическим фактором промышленной ценности всего биопроцесса.

Работа не ограничивается лабораторными опытами. Параллельно исследователи думают о том, как перенести процесс в промышленный масштаб. Речь идет о создании установки, где бактерии смогут стабильно «работать» в больших реакторах и перерабатывать поток органических отходов — например, пищевые остатки или побочные продукты сельского хозяйства — в нужные химические вещества без сложной предварительной очистки сырья.

Параллельно исследователи работают над тем, чтобы «настроить» бактерии на нужный результат. Для этого их метаболизм и гены корректируют так, чтобы они чаще производили более длинные молекулы — до 9–12 атомов углерода. Проще говоря, задача в том, чтобы сместить их работу в сторону более ценных продуктов, а не коротких и менее востребованных соединений.

Лоусон подчеркивает:

«Если мы хотим продавать эти химические вещества на открытом рынке, нам необходимо показать, что можем использовать эти микроорганизмы в полностью интегрированном биореакторном процессе и производить их в больших масштабах и по конкурентоспособной цене».

Исследователи считают, что технология может снизить зависимость от пальмового масла и одновременно помочь с переработкой органических отходов. В перспективе управление микробным метаболизмом может стать альтернативой части традиционной химической промышленности — с меньшей нагрузкой на окружающую среду и более гибкими источниками сырья.