С ростом обеспокоенности по поводу истощения запасов ископаемого топлива и воздействия нефтехимического производства на окружающую среду учёные активно изучают возобновляемые стратегии производства важнейших промышленных химических веществ.
Исследовательская группа под руководством выдающегося профессора Санга Юпа Ли, старшего вице-президента по исследованиям из Департамента химической и биомолекулярной инженерии, совместно с профессором Сункю Ханом из Департамента химии Корейского передового института науки и технологий (KAIST) разработала интегрированную химико-биологическую платформу. Платформа преобразует возобновляемые источники углерода, такие как глюкоза и глицерин, в оксигенированные прекурсоры. Затем эти прекурсоры деоксигенируются в той же системе растворителей с получением бензола, толуола, этилбензола и п-ксилола (BTEX). Эти вещества являются основными ароматическими углеводородами, используемыми в топливе, полимерах и потребительских товарах.
Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Исследователи разработали четыре метаболически модифицированных штамма Escherichia coli, каждый из которых запрограммирован на производство определённого оксигенированного прекурсора — фенола, бензилового спирта, 2-фенилэтанола или 2,5-ксиленола. Эти промежуточные соединения получены с помощью специальных генетических модификаций, таких как удаление ферментов, регулируемых обратной связью, сверхэкспрессия генов, специфичных для пути, и введение гетерологичных ферментов для расширения метаболических возможностей.
Во время ферментации продукты непрерывно экстрагировались в органический растворитель — изопропилмиристат (IPM). IPM выполнял двойную функцию: смягчал токсическое воздействие ароматических соединений на рост клеток и служил непосредственно в качестве реакционной среды для последующей химической переработки.
Устраняя необходимость в промежуточной очистке, обмене растворителей или дистилляции, эта система, интегрированная с растворителем, оптимизировала преобразование возобновляемых сырьевых материалов в ценные ароматические соединения.
Центральное нововведение этой работы заключается в адаптации химических реакций деоксигенации для эффективного функционирования в IPM — растворителе, редко используемом в органическом синтезе. Традиционные катализаторы и реагенты часто оказывались неэффективными в этих условиях из-за ограничений растворимости или несовместимости с биологическими примесями.
Благодаря систематической оптимизации команда разработала мягкие и селективные каталитические стратегии, совместимые с IPM. Например, фенол был успешно деоксигенирован до бензола с выходом до 85% с использованием каталитической системы на основе палладия, а бензиловый спирт был эффективно преобразован в толуол после предварительной обработки экстракта IPM активированным углём.
Более сложные превращения, такие как преобразование 2-фенилэтанола в этилбензол, были достигнуты с помощью последовательности мезилирования и восстановления, адаптированной к фазе IPM. Аналогичным образом, 2,5-ксиленол, полученный из глицерина, был преобразован в п-ксилол с выходом 62% в результате двухступенчатой реакции, завершив возобновляемый синтез полного спектра BTEX.
Помимо производства BTEX, исследование закладывает основу для интеграции микробного биосинтеза с химическими превращениями в непрерывной среде растворителя. Этот модульный подход снижает потребность в энергии, минимизирует отходы растворителей и обеспечивает интенсификацию процессов — ключевые факторы для масштабирования возобновляемого химического производства.
Доктор Сюань Цзоу, первый автор статьи, объясняет: «Сочетая селективность микробного метаболизма с эффективностью химического катализа, эта платформа создаёт возобновляемый путь к некоторым из наиболее широко используемых строительных блоков в химической промышленности. Будущие усилия будут направлены на оптимизацию метаболических потоков, расширение платформы для дополнительных ароматических целей и внедрение более экологичных каталитических систем».
Профессор Санг Юп Ли отмечает: «Поскольку глобальный спрос на BTEX и родственные химические вещества продолжает расти, это нововведение обеспечивает как научную, так и промышленную основу для снижения зависимости от нефтехимических процессов. Это важный шаг на пути к снижению углеродного следа в топливном и химическом секторах при одновременном обеспечении устойчивого снабжения основными ароматическими углеводородами».
Предоставлено Корейским передовым институтом науки и технологий (KAIST).