ให้ความรู้เกี่ยวกับจรวด

การแปลงน้ำมันปิโตรเลียมเป็นเชื้อเพลิงนั้นเกี่ยวข้องกับเคมีดิบที่มนุษย์คิดค้นขึ้นครั้งแรกในทศวรรษที่ 1800 ในขณะเดียวกัน แบคทีเรียได้ผลิตโมเลกุลพลังงานจากคาร์บอนเป็นเวลาหลายพันล้านปี คุณคิดว่างานไหนดีกว่ากัน? ตระหนักดีถึงข้อดีที่ชีววิทยามีให้ กลุ่มผู้เชี่ยวชาญด้านเชื้อเพลิงชีวภาพที่นำโดย Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ได้รับแรงบันดาลใจจากโมเลกุลต้านเชื้อราที่ไม่ธรรมดาซึ่งสร้างโดยแบคทีเรีย Streptomyces เพื่อพัฒนาเชื้อเพลิงชนิดใหม่ทั้งหมดที่มีความหนาแน่นของพลังงานมากขึ้นมากกว่าเชื้อเพลิงสำหรับงานหนักที่ทันสมัยที่สุดที่ใช้ในปัจจุบัน รวมถึงเชื้อเพลิง จรวด ที่ NASA ใช้ Jay Keasling หัวหน้าโครงการ ผู้บุกเบิกชีววิทยาสังเคราะห์และซีอีโอของแผนกกล่าวว่า "เส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพนี้ให้เส้นทางที่สะอาดไปสู่เชื้อเพลิงที่มีพลังงานสูง ซึ่งก่อนหน้านี้จะผลิตได้จากปิโตรเลียมโดยใช้กระบวนการสังเคราะห์ที่เป็นพิษสูงเท่านั้น" ของสถาบันพลังงานชีวภาพร่วมของ Energy (JBEI) "เนื่องจากเชื้อเพลิงเหล่านี้จะผลิตจากแบคทีเรียที่เลี้ยงด้วยพืช ซึ่งทำมาจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ดึงมาจากชั้นบรรยากาศ การเผาไหม้เชื้อเพลิงเหล่านี้ในเครื่องยนต์จะช่วยลดปริมาณก๊าซเรือนกระจกที่เพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงใดๆ ที่ผลิตขึ้นจากปิโตรเลียม" ศักยภาพพลังงานที่เหลือเชื่อของโมเลกุลตัวเลือกเชื้อเพลิงเหล่านี้เรียกว่า POP-FAME (สำหรับเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมันโพลีไซโคลโพรพาเนเต็ด) มาจากคุณสมบัติทางเคมีพื้นฐานของโครงสร้าง โมเลกุลโพลีไซโคลโพรพาเนเต็ดประกอบด้วยวงแหวนคาร์บอนสามวงรูปสามเหลี่ยมหลายวงที่บังคับให้พันธะคาร์บอน-คาร์บอนแต่ละพันธะอยู่ในมุม 60 องศาที่แหลมคม พลังงานศักย์ในพันธะที่ตึงเครียดนี้แปลงเป็นพลังงานสำหรับการเผาไหม้มากกว่าที่สามารถทำได้ด้วยโครงสร้างวงแหวนขนาดใหญ่หรือโซ่คาร์บอนคาร์บอนที่มักพบในเชื้อเพลิง นอกจากนี้ โครงสร้างเหล่านี้ยังช่วยให้โมเลกุลของเชื้อเพลิงรวมตัวกันอย่างแน่นหนาในปริมาตรที่น้อย ซึ่งจะเพิ่มมวลและพลังงานทั้งหมดของเชื้อเพลิงที่พอดีกับถังใดก็ตาม "ด้วยเชื้อเพลิงปิโตรเคมี คุณจะได้ซุปที่มีโมเลกุลต่างกัน และคุณไม่สามารถควบคุมโครงสร้างทางเคมีเหล่านั้นได้มากนัก แต่นั่นคือสิ่งที่เราใช้มาเป็นเวลานาน และเราได้ออกแบบเครื่องยนต์ทั้งหมดของเราให้ทำงานบนน้ำมันปิโตรเลียม อนุพันธ์” Eric Sundstrom ผู้เขียนบทความที่อธิบายถึงตัวเลือกเชื้อเพลิง POP ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Joule และนักวิทยาศาสตร์การวิจัยของ Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) ของ Berkeley Lab Sundstrom กล่าวว่า "กลุ่มใหญ่ที่อยู่เบื้องหลังงานนี้ Co-Optima ได้รับทุนให้คิดไม่เพียงแค่สร้างเชื้อเพลิงเดิมจากวัตถุดิบตั้งต้นชีวภาพเท่านั้น แต่เราจะสร้างเชื้อเพลิงใหม่ที่มีคุณสมบัติดีขึ้นได้อย่างไร" Sundstrom กล่าว "คำถามที่นำไปสู่สิ่งนี้คือ 'โครงสร้างที่น่าสนใจประเภทใดที่ชีววิทยาสามารถทำให้ปิโตรเคมีไม่สามารถสร้างได้'" ภารกิจตามหาแหวน Keasling ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ที่ UC Berkeley เช่นกัน จับตามองโมเลกุลของไซโคลโพรเพนมาเป็นเวลานาน เขาได้สำรวจวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสารประกอบอินทรีย์ที่มีวงแหวนคาร์บอน 3 วง และพบตัวอย่างที่ทราบเพียง 2 ตัวอย่าง ซึ่งทั้งสองตัวอย่างเกิดจาก แบคทีเรีย Streptomycesซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะเติบโตในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ โชคดีที่หนึ่งในโมเลกุลได้รับการศึกษาและวิเคราะห์ทางพันธุกรรมเนื่องจากความสนใจในคุณสมบัติต้านเชื้อรา ผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติที่ถูกค้นพบในปี 1990 มีชื่อว่า จอว์ซามัยซิน เนื่องจากวงแหวนไซโคลโพรเพนห้าวงที่ไม่เคยมีมาก่อนทำให้ดูเหมือนกรามที่เต็มไปด้วยฟันแหลม ทีมของ Keasling ซึ่งประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์ของ JBEI และ ABPDU ศึกษายีนจากสายพันธุ์ดั้งเดิม ( S. roseoverticillatus)ที่เข้ารหัสเอนไซม์ที่สร้าง Jawsamycin และเจาะลึกเข้าไปในจีโนมของStreptomyces ที่เกี่ยวข้อง โดยมองหาการรวมกันของเอนไซม์ที่สามารถสร้าง โมเลกุลที่มีวงแหวนฟันของขากรรไกรของซามัยซินในขณะที่ข้ามส่วนอื่น ๆ ของโครงสร้าง เช่นเดียวกับคนทำขนมปังที่เขียนสูตรใหม่เพื่อคิดค้นขนมที่สมบูรณ์แบบ ทีมงานหวังที่จะผสมเครื่องจักรของแบคทีเรียที่มีอยู่เพื่อสร้างโมเลกุลใหม่ที่มีคุณสมบัติเป็นเชื้อเพลิงพร้อมเผาไหม้ ปาโบล ครูซ-โมราเลส ผู้เขียนคนแรกสามารถรวบรวมส่วนผสมที่จำเป็นทั้งหมดเพื่อสร้าง POP-FAME หลังจากค้นพบเอนไซม์ที่สร้างไซโคลโพรเพนชนิดใหม่ในสายพันธุ์ที่เรียกว่าS. albireticuli ครูซ-โมราเลส นักวิจัยอาวุโสของ Novo Nordisk Foundation Center for the Novo Nordisk Foundation กล่าวว่า "เราค้นหาจีโนมหลายพันแห่งเพื่อหาทางเดินที่สร้างสิ่งที่เราต้องการตามธรรมชาติ วิธีนี้ทำให้เราหลีกเลี่ยงวิศวกรรมที่อาจใช้ได้หรือไม่ได้ และใช้วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุดจากธรรมชาติ" ครูซ-โมราเลส ความยั่งยืนทางชีวภาพ, Technical University of Denmark และผู้วิจัยร่วมของห้องปฏิบัติการผลิตภัณฑ์ธรรมชาติจากยีสต์ร่วมกับ Keasling น่าเสียดายที่แบคทีเรียไม่ให้ความร่วมมือในด้านการผลิต Streptomycesมีอยู่ทั่วไปในดินทุกทวีปมีชื่อเสียงในด้านความสามารถในการสร้างสารเคมีที่ผิดปกติ ครูซ-โมราเลสกล่าวว่า"ยาจำนวนมากที่ใช้ในปัจจุบัน เช่น ยากดภูมิคุ้มกัน ยาปฏิชีวนะ และยาต้านมะเร็ง "แต่พวกเขาเอาแต่ใจมากและไม่เหมาะที่จะทำงานด้วยในห้องแล็บ พวกเขามีพรสวรรค์ แต่พวกเขาก็เป็นนักร้อง" เมื่อStreptomyces ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมต่างกัน 2 ตัวไม่สามารถสร้าง POP-FAME ได้ในปริมาณที่เพียงพอ เขาและเพื่อนร่วมงานจึงต้องคัดลอกคลัสเตอร์ยีนที่จัดเรียงใหม่ให้เป็นญาติที่ "เชื่อง" มากขึ้น กรดไขมันที่เกิดขึ้นประกอบด้วยวงแหวนไซโคลโพรเพนมากถึง 7 วงซึ่งถูกล่ามโซ่บนกระดูกสันหลังของคาร์บอน ทำให้ได้ชื่อเรียกว่า ฟิวอิไมซิน ในกระบวนการที่คล้ายกับการผลิตไบโอดีเซล โมเลกุลเหล่านี้ต้องการกระบวนการทางเคมีเพิ่มเติมเพียงขั้นตอนเดียวก่อนที่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงได้