Obecnie używane biosyntetyczne paliwa lotnicze to między innymi przetworzone estry i kwasy tłuszczowe (ang. HEFA, hydroprocessed esters and fatty acids) otrzymywane z nasion roślin takich jak Camelina czy algi. Stosuje się je w samolotach wojskowych i pasażerskich w połączeniu z paliwem Jet-A (mieszanka 50:50). Ponadto, całkiem niedawno opracowano proces produkcji oligomerów butenowych z odwodnionego butanolu, które również mogłyby zostać wykorzystane do wytwarzania paliwa rakietowego. Udowodniono też, że związki będące dimerami pinenu mają zbliżone właściwości energetyczne do cząsteczek z napiętymi układami pierścieniowymi, będących składnikiem paliwa JP-10.
Dimery pinenu otrzymuje się na drodze syntezy chemicznej z cyklicznych terpenów. Terpeny są związkami, które naturalnie występują w roślinach. Spełniają szereg funkcji, takich jak wabienie owadów czy oddziaływanie na inne organizmy (allelopatia). Do chwili obecnej zidentyfikowano już ponad tysiąc naturalnie występujących monoterpenów. W przemyśle używa się je głównie jako substancje zapachowe, środki owadobójcze i farmaceutyki. Jeden z monoterpenów, terpentyna, otrzymywana z żywicy drzew iglastych, jest dzisiaj głównym źródłem pinenu.
W roślinach monoterpeny takie jak pinen (C10) powstają w plastydach. Zasadniczy etap ich biosyntezy polega na kondensacji pięciowęglowych półproduktów – pirofosfranu izopentenylu (IPP) z difosforanem dimetyloallilu (DMAPP). Proces ten katalizowany jest przez enzym zwany syntazą difosforanu geranylu (GPPS). W wyniku reakcji powstaje dziesięciowęglowa cząstezka o otwartym łańcuchu węglowodorowym (GPP, difisforan geralylu), która następnie ulega cyklizacji do α- lub β-pinenu w procesie katalizowanym przez syntazę pinenu (PS).
Naukowcy z grupy profesor Pameli Peralta-Yahya, poprzez wprowadzenie do bakterii E.coli wspomnianych enzymów roślinnych (GPPS i PS) i stworzenie szczepów zdolnych do nadprodukcji związków IPP i DMAPP, stworzyli mikroorganizmy wytwarzające duże ilości pinenu. Hodując bakterie na pożywce z glukozy naukowcy testowali wiele kombinacji enzymów z różnych rodzajów roślin iglastych, aby określić dzięki której kombinacji białek wytwarzanie węglowodoru stanie się najskuteczniejsze. W wyniku przeprowadzonych badań wydajność procesu wzrosła sześciokrotnie w stosunku do poprzednich osiągnięć bioinżynierii. Obecnie naukowcy są w stanie wyprodukować 32 miligramy pinenu z jednego litra hodowli. Niestety wciąż nie jest to ilość, która wystarczyłaby do produkcji paliwa rakietowego na skalę przemysłową. Podczas badań okazało się, że enzym biorący udział w procesie biosyntezy pinenu hamowany jest przez jeden z substratów, a także przez produkt końcowy reakcji. Zatem, aby usprawnić proces wytwarzania pinenu przez bakterie, należy zmodyfikować enzym w taki sposób, aby był odporny na wysokie stężenie substratu. Alternatywą byłoby znalezienie innej ścieżki metabolicznej, która pomoże utrzymać niskie stężenie substratu w całym procesie biosyntezy pinenu.
Naukowcy i inżynierowie poszukujący alternatywy dla benzyny w biopaliwach, muszą stworzyć produkt, który będzie konkurencyjny w stosunku do obecnej ceny paliwa wynoszącej nieco ponad 3 dolary za galon. Zadanie jest zatem nie łatwe a proces optymalizacji produkcji niezwykle wymagający. Tymczasem, ze względu na niewielką ilość paliwa JP-10 jaką można uzyskać z baryłki ropy, jego cena to aż 25 dolarów za galon. Taka różnica w cenie daje znaczącą przewagę naukowcom pracującym nad biopaliwem do silników odrzutowych w stosunku do tych proponujących alternatywę dla benzyny i oleju napędowego. Stąd zainteresowanie biopaliwem rakietowym między innymi w grupie profesor Pameli Peralta-Yahya z Instytutu Technologicznego w Georgii.
Zanim produkowane w ten sposób dimery pinenu będą mogły konkurować z ropopochodnym paliwem JP-10, proces biosyntezy pinenu przez bakterie trzeba będzie jeszcze wielokrotnie udoskonalić. Naukowcy wierzą jednak, że zidentyfikowali główne przeszkody, które należy pokonać, aby osiągnąć ten cel.
Katarzyna Wawrzyniak-Turek
