Metabolisk ingeniørmetode lykkes med at producere 1, 2, 4-butantetriol bæredygtigt fra biomasse

En mere miljøvenlig og bæredygtig metode til fremstilling af det nyttige kemikalie 1, 2, 4-butantetriol er blevet opdaget. Kobe -universitetets team var de første i verden til at anvende en metode, der involverer direkte gæring af xylose i rishalm ved hjælp af en konstrueret gærstamme til at producere 1, 2, 4-butantriol. I løbet af denne forskning, teamet overvandt med succes to flaskehalse for at maksimere produktionen.

Forskningen blev udført af akademisk forsker Takahiro Bamba og professor Akihiko Kondo (fra Graduate School of Science, Teknologi og innovation), og professor Tomohisa Hasunuma (fra Engineering Biology Research Center).

1, 2, 4-butantetriol anvendelser og nuværende produktionsmetoder:

Varekemikaliet 1, 2, 4-butantetriol har en lang række praktiske anvendelser på tværs af forskellige områder. For eksempel, det kan bruges til fremstilling af opløsningsmidler og til at syntetisere forskellige farmaceutiske produkter-såsom antivirale og kolesterolsænkende lægemidler, blandt andre.

Nuværende metoder til fremstilling af 1, 2, 4-butantriol bruger råvarer, der stammer fra olie og resulterer i biprodukter, der er skadelige for miljøet. Den mest almindelige måde at producere kemikaliet på er ved hjælp af natriumborhydrid (NaBH ₄ ) for kemisk at reducere æblesyre til 1, 2, 4-butantriol. Processen genererer imidlertid en stor mængde boratsalte. Bortskaffelse af disse salte forårsager forurening. Chromit og rubidium kan også bruges som katalysatorer for 1, 2, 4-butantetriol produktion, disse metoder kræver dog høj temperatur og højt tryk, og også resultere i giftige biprodukter.

Afledning af xylose (det næstmest forekommende naturlige sukker) fra lignocellulosisk biomasse (tørt plantemateriale) og brug af det til at producere kemikalier giver flere fordele, da det er en vedvarende ressource, der forårsager langt mindre miljøforurening. Det giver et bæredygtigt alternativ til oliebaseret produktion.

Metodik

Som vist i figur 1, 1, 2, 4-butantetriol produceres af mikrober gennem en 5-trins reaktionsproces i cellerne.

Men i trin 1, 3 og 4 i reaktionen, der var ingen enzymer til at tilvejebringe en katalysator i gæren. I dette studie, rishalmhydrolysat blev brugt til fremstilling af xylose. Den gær, der blev brugt, blev genetisk manipuleret med de nødvendige enzymer for med succes at producere et effektivt udbytte på 1, 2, 4-butantriol.

I det første vellykkede forsøg, kun 0,02 g/L af 1, 2, 4-butantetriol blev produceret. Ved at undersøge disse resultater, det blev klart, at der var utilstrækkelige katalytiske aktiviteter for trin 3 og trin 4 inde i gærcellerne. Dette betød, at reaktionen blev bremset i trin 3 og 4. Disse reaktioner blev anset for at være flaskehalse.

Med tilstedeværelsen af ​​jernsvovlklynger inden for strukturen af ​​xylonat dehydratasekatalysatoren i trin 3, det blev klart, at det var svært for gæren at opretholde en reaktion med jern -svovlproteinet i cellerne. Dette skyldtes en utilstrækkelig mængde jernsvovlklynger i gærcellerne.

Jern (Fe) er afgørende for, at gærcellerne producerer 1, 2, 4-butantetriol, for meget jern skader cellerne. Metabolisk teknik (optimering af regulatoriske og genetiske processer i celler for at øge produktionen af ​​et bestemt stof) blev brugt til yderligere at genetisk modificere gæren for at øge dens jernmetabolisme. Dette forbedrede gærens reaktivitet med xylonat-dehydratasen og sikrede, at der blev dannet funktionelle Fe-S-enzymer (figur 2). Ved anvendelse af denne modificerede gærstamme blev katalytisk aktivitet forbedret med cirka 6 gange.

Desuden, trin 4-flaskehalsen blev overvundet ved anvendelse af KdcA (afledt af Lactococcus lactis- en bakterie, der sædvanligvis anvendes til fermentering i fødevareindustrien) som decarboxylase for at tilvejebringe tilstrækkelig katalytisk aktivitet.

Resultater

Ultimativt, det lykkedes denne metode at producere 1,7 g/L af 1, 2, 4-butantriol, når der blev udviklet gær. Ud over, 1,1 g/L af 1, 2, 4-butantriol blev produceret af rishalmhydrolysatopløsningen, der blev brugt som medium under fermenteringsforsøget (figur 3).

Denne forskning tyder på, at det ville være muligt at producere andre kemikalier, der kræver jern -svovlproteiner ved hjælp af en lignende metode. Optimering af metabolisk vej i denne undersøgelse gennem yderligere forskning ville muliggøre større produktion af nyttige forbindelser fra lignocellulosisk biomasse. Dette kan potentielt reducere fremtidens afhængighed af begrænsede olieressourcer og forurenende produktionsmetoder.