Zespół naukowców z University of Illinois Urbana-Champaign opracował bioproces wykorzystujący zmodyfikowane drożdże, które całkowicie i wydajnie przekształcają materię roślinną składającą się z octanu i ksylozy w wysokowartościowe bioprodukty.

Lignoceluloza, materiał drzewny, który nadaje komórkom roślinnym ich strukturę, jest najobficiej występującym surowcem na Ziemi i od dawna jest postrzegany jako źródło energii odnawialnej. Zawiera głównie octan oraz cukry glukozę i ksylozę, które uwalniają się podczas rozkładu.

W artykule opublikowanym w Nature Communications zespół opisał swoją pracę, która oferuje realną metodę pokonania jednej z głównych przeszkód utrudniających komercjalizację biopaliw lignocelulozowych – toksyczności octanu dla fermentujących drobnoustrojów, takich jak drożdże.

„Jest to pierwsze podejście do wykazania wydajnego i pełnego wykorzystania ksylozy i octanu do produkcji biopaliw” – powiedział profesor nauk o żywności i żywienia człowieka Yong-Su Jin. Jako członek Instytutu Biologii Genomowej Carla R. Woese, Jin prowadził badania z ówczesnym studentem Liang Sun, pierwszym autorem artykułu.

Ich metodologia w pełni wykorzystała ksylozę i octan ze ścian komórkowych prosa rózgowego, przekształcając octan z niepożądanego produktu ubocznego w cenny substrat, który zwiększył wydajność drożdży w przekształcaniu cukrów w hydrosolatach.

„Odkryliśmy, że możemy użyć substancji, która została uznana za toksyczną, bezużyteczną jako dodatkowe źródło węgla z ksylozą do ekonomicznego wytwarzania wysokiej jakości chemikaliów”, takich jak lakton kwasu trioctowego lub TAL i witamina A, które pochodzą z tej samej cząsteczki prekursora , acetylokoenzym A, powiedział Jin

TAL jest wszechstronną substancją chemiczną pozyskiwaną obecnie z rafinacji ropy naftowej i jest wykorzystywana do produkcji tworzyw sztucznych i składników żywności, powiedział Sun, obecnie doktorant na Uniwersytecie Wisconsin w Madison.

We wcześniejszych pracach współautorka Soo Rin Kim, wówczas stypendystka Energy Biosciences Institute, zaprojektowała szczep drożdży Saccharomyces cerevisiae do szybkiego i wydajnego spożywania ksylozy. Kim jest obecnie wykładowcą na Uniwersytecie Narodowym Kyungpook w Korei Południowej.

W bieżących badaniach wykorzystali proso rózgowe zebrane na farmie energetycznej U. of I. Energy Farm do stworzenia hydrolizatów hemicelulozy. Zmodyfikowane komórki drożdży wykorzystano do fermentacji glukozy, ksylozy i octanu w hydrosalatach.

Gdy glukoza i octan zostały dostarczone razem, S. cerevisiae szybko przekształciło glukozę w etanol, obniżając poziom pH hodowli komórkowej. Jednak zużycie octanu zostało silnie zahamowane, powodując, że hodowla stała się toksyczna dla komórek drożdży w warunkach niskiego pH.

Kiedy ksyloza była dostarczana z octanem, „te dwa źródła węgla utworzyły synergie, które promowały wydajny metabolizm obu związków” – powiedział Sun. „Ksyloza wspierała wzrost komórek i dostarczała energii wystarczającej do asymilacji octanu. Dlatego drożdże mogą bardzo wydajnie metabolizować octan jako substrat, aby wyprodukować dużo TAL”.

W tym samym czasie poziom pH pożywki wzrósł, gdy octan był metabolizowany, co z kolei sprzyjało spożyciu ksylozy przez drożdże, powiedział Sun.

Kiedy przeanalizowali ekspresję genów S. cerevisiae za pomocą sekwencjonowania RNA, odkryli, że kluczowe geny zaangażowane w wychwyt i metabolizm octanu zostały dramatycznie zwiększone przez ksylozę w porównaniu z glukozą, powiedział Sun.

Komórki drożdży karmione zarówno octanem, jak i ksylozą gromadziły większą biomasę, wraz z odpowiednio 48% i 45% wzrostem poziomu lipidów i ergosterolu. Ergosterol to hormon grzybowy, który odgrywa ważną rolę w adaptacji do stresu podczas fermentacji.

Wspólne wykorzystanie octanu i ksylozy zwiększyło również dostarczanie przez drożdże acetylo-CoA, prekursora cząsteczki ergosterolu i lipidów, oraz zapewniło skrót metaboliczny – przekształcenie octanu w acetylo-CoA, przybliżając produkcję TAL o krok, powiedział Sun.

„Dzięki wspólnemu wykorzystaniu ksylozy i octanu jako źródeł węgla byliśmy w stanie radykalnie poprawić produkcję TAL – 14-krotnie większą produkcję niż wcześniej zgłoszono przy użyciu zmodyfikowanej S. cerevisiae” – powiedział Sun. „Zastosowaliśmy tę strategię również do produkcji witaminy A, wykazując jej potencjał do nadprodukcji innych wartościowych bioproduktów pochodzących z acetylo-CoA, takich jak steroidy i flawonoidy”.

Ponieważ proces dokładnie wykorzystywał źródła węgla w biomasie lignocelulozowej, Jin i Sun powiedzieli, że można go bezproblemowo zintegrować z biorafineriami celulozy.

„Chodzi o zrównoważony rozwój naszego społeczeństwa” – powiedział Sun. „Musimy w pełni wykorzystać te niewykorzystane zasoby, aby zbudować zrównoważoną przyszłość. Mamy nadzieję, że za 50 lub 100 lat będziemy zależeć głównie od tych odnawialnych i obfitych surowców, aby produkować energię i materiały, których potrzebujemy w naszym codziennym życiu. To jest nasz cel. Ale na razie robimy tylko małe rzeczy, aby upewnić się, że dzieje się to stopniowo”.

Odniesienie: „Kompletna i wydajna konwersja hemicelulozy roślinnej ściany komórkowej w wysokowartościowe bioprodukty przez zmodyfikowane drożdże” Liang Sun, Jae Won Lee, Sangdo Yook, Stephan Lane, Ziqiao Sun, Soo Rin Kim i Yong-Su Jin, 17 sierpnia 2021 r. , komunikacja przyrodnicza. DOI: 10.1038/s41467-021-25241-y

Innymi współautorami badania byli Stephan Lane, kierownik bioodlewni w Instytucie Zrównoważonego Rozwoju, Energii i Środowiska U. of I.; doktorant Jae Won Lee i doktorant Sangdo Yook, obaj z U.I.; oraz Ziqiao Sun, absolwent Uniwersytetu Cornell.

Praca wspierana była przez Departament Energii USA Centrum Zaawansowanej Bioenergii i Innowacji Bioproduktów na U. of I.

irme.pl

Źródło: SciTechDaily