Микроорганизмы открыли путь к низкоуглеродному нейлону

Исследователи из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) представили технологию получения основных компонентов нейлона с использованием микроорганизмов и возобновляемого сырья. Разработка может стать шагом к снижению зависимости химической промышленности от нефтехимических процессов и сокращению углеродного следа при производстве полимеров.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Ученым удалось создать модульную биотехнологическую платформу на основе бактерии Escherichia coli, способную производить сразу три ключевых мономера, используемых при выпуске нейлона 6 и нейлона 6,6: адипиновую кислоту, гексаметилендиамин и эпсилон-капролактам.

В качестве исходного сырья исследователи использовали глицерин — побочный продукт производства биодизеля. В отличие от традиционных технологий, основанных на нефтехимическом сырье, новый подход позволяет использовать возобновляемый источник углерода.

Нейлон остается одним из наиболее востребованных полимерных материалов в мире. Нейлон 6 широко применяется в текстильной промышленности, производстве пленок и упаковки, тогда как нейлон 6,6 благодаря высокой прочности и термостойкости используется в автомобилестроении, машиностроении и производстве технических деталей. Однако получение сырья для этих материалов традиционно сопровождается значительными выбросами парниковых газов.

Для решения этой задачи ученые разделили процесс биосинтеза на несколько этапов. Одни штаммы бактерий отвечали за производство адипиновой кислоты из глицерина, другие — за ее дальнейшее преобразование в необходимые химические соединения. Такой модульный подход позволил объединить производство всех трех мономеров в рамках единой технологической платформы.

Дополнительно исследователи использовали методы искусственного интеллекта для совершенствования работы ферментов, участвующих в биосинтезе. Это позволило повысить эффективность отдельных стадий процесса и увеличить выход продукции. В результате ученым удалось получить адипиновую кислоту с концентрацией до 6 г/л в процессе ферментации.

Хотя достигнутые объемы производства гексаметилендиамина и эпсилон-капролактама пока остаются относительно небольшими, авторы исследования отмечают, что для прямого получения этих соединений из глицерина показатели являются одними из лучших в мире.

По мнению разработчиков, технология демонстрирует возможность постепенного перехода от нефтехимического производства полимерного сырья к биотехнологическим процессам. В дальнейшем команда планирует повысить производительность платформы за счет дальнейшей оптимизации ферментов и метаболических путей микроорганизмов, а также адаптировать подход для получения других видов сырья для полимерной промышленности.

Авторы исследования считают, что подобные решения могут стать важным элементом развития низкоуглеродной химической промышленности и способствовать расширению использования возобновляемых ресурсов при производстве материалов массового спроса.