Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Государственного университета Кампинаса (Unicamp) разработала технологию генной модификации, позволяющую повысить выход биоэтанола почти на 30% по сравнению с немодифицированными штаммами. На технологию получен патент, а через инновационное подразделение Unicamp — Inova Unicamp — она лицензирована американской компании Terragia Biofuel, которая будет отвечать за проведение этапа масштабирования испытаний.
Результат получен в рамках докторского исследования Лайзе Косты де Соузы в Центре молекулярной биологии и генной инженерии Unicamp (CBMEG) и является частью трёхстороннего соглашения о исследованиях, разработках и инновациях между Unicamp, Дартмутским колледжем (США) и Terragia Biofuel. Работа выполнена в Лаборатории передовых биотоплив второго поколения (A2G), созданной при Unicamp, при финансировании Фонда поддержки научных исследований штата Сан-Паулу (Fapesp) в рамках программы São Paulo Excellence Chair (SPEC).
Этанол второго поколения (2G) рассматривается как потенциальный промежуточный продукт для устойчивого авиационного топлива и базовой химической продукции, однако его себестоимость в настоящее время выше, чем у ископаемого топлива и этанола первого поколения. Традиционный процесс использует такие отходы, как жом сахарного тростника и солому, и полагается на ферментацию дрожжами, требуя высокотемпературной термохимической предварительной обработки и применения гидролаз для разложения гемицеллюлозы и превращения целлюлозы в глюкозу — эти два этапа значительно увеличивают затраты. Альтернативой является совместная биологическая переработка (CBP), при которой дрожжи заменяются анаэробными термофильными бактериями, позволяя микроорганизмам осуществлять деградацию лигноцеллюлозы и ферментацию в одном процессе, исключая этап предварительной обработки.
Подход CBP исследуется группой профессора Ли Линда из Дартмутского колледжа уже более тридцати лет, основным объектом исследований является бактерия Clostridium thermocellum. Этот микроорганизм эффективно разлагает целлюлозу, но его природный выход этанола очень низок. Исследователь Terragia Biofuel Кристофер Дэвид Херринг отмечает, что существующие дрожжи ферментируют ограниченный набор углеводов, тогда как такие бактерии способны ферментировать более широкий спектр углеводов, но для достижения сопоставимой эффективности требуют генной инженерии. Ранее команда мало знала о механизмах баланса водорода и электронов в метаболизме бактерий — именно этот пробел в знаниях ограничивал выход этанола.
Для восполнения этого пробела бразильские и американские исследователи ввели вторую бактерию — Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum. Она также анаэробна и термофильна, отличается способностью эффективно производить этанол, но не разлагает целлюлозу. Два микроорганизма образуют взаимодополняющую пару: один специализируется на деградации биомассы, другой — на производстве этанола.
Соуза провела год совместной докторской подготовки в лаборатории Линда, до этого два года работала в Бразилии. В ходе совместной подготовки она составила карту метаболических путей высокоэффективного этанол-продуцирующего штамма, идентифицировала ключевые белки и с помощью плазмид перенесла соответствующие гены в бактерии CBP, которые на тот момент не могли эффективно ферментировать. В другой части экспериментов, выполненных в Unicamp, она с помощью биохимических тестов доказала, что этот белок является ключевым компонентом механизма.
Исследование опровергло старое предположение в микробной биохимии: гидрогеназы, производящие водород, ранее считались конкурентами синтеза этанола, поскольку они отбирали электроны, которые могли бы направляться на конечный продукт. Команда идентифицировала специфическую гидрогеназу HfsD, которая действует противоположным образом — при её отсутствии клетки не могут рециклировать ферредоксин и не способны производить кофактор NADPH, необходимый для финальной стадии реакции. На основе этого была выдвинута гипотеза о «редокс-балансе через водородный цикл», официально представленная на защите докторской диссертации Соузы в апреле 2026 года. Поскольку HfsD производит избыточный кофактор, для балансировки процесса требуются вспомогательные белки, поэтому команда протестировала два штамма с различными комбинациями генов.
Результаты лабораторных испытаний показали, что выход модифицированных штаммов почти на 30% выше, чем у немодифицированных бактерий. Штамм A2G-0053 после вставки ключевой гидрогеназы повысил выход с 59,8% до 88,5% от теоретического максимума. Исследователь CBMEG Луана Валравенс Бергамо отметила, что предыдущие попытки модификации с использованием гетерологичных белков обычно давали улучшение лишь на 5–10%, тогда как здесь получен значительно более выраженный результат.
В настоящее время проект сосредоточен на производстве этанола из жома сахарного тростника, однако в качестве субстрата могут также использоваться агава, кукурузная солома и листья эвкалипта. Бергамо упомянула, что общей задачей для всех штаммов является выяснение пределов продуктивности бактерий, а также критической точки, при которой накопление этанола вызывает ингибирование обратной связи. Кроме того, необходимо оценить конкурентоспособность модифицированных штаммов в промышленных биореакторах при столкновении с инвазивными бактериями. Следующий этап — масштабирование испытаний — будет выполнен американской компанией, получившей лицензию на технологию, с целью проверки, воспроизводится ли лабораторная производительность в крупномасштабных партиях.
