Ny metabolisk ingeniørstrategi forbedrer bioproduktion af polymerråmaterialer

En forskergruppe, bestående af doktorand Fujiwara Ryosuke, Lektor Tanaka Tsutomu (begge fra Kobe University's Graduate School of Engineering) og forsker Noda Shuhei (RIKEN Center for Sustainable Resource Science), er det lykkedes at forbedre udbyttet af mål kemisk produktion fra biomasse. De opnåede dette gennem metabolisk manipulation af de bakterier, der bruges i bioproduktion, så det ville bruge forskellige slags sukker absorberet fra biomassen til separate formål.

Der er problemer forbundet med at bruge mikrober til at producere målkemikalier. Hvis mikroberne bruger kulstofkilderne (sukker) til deres egen formering, mål kemisk produktion falder. På den anden side, undertrykkelse af denne udbredelse får mikroberne til at svækkes, resulterer i et samlet fald i produktionen. For at løse dette problem, forskergruppen udviklede en ny strategi kaldet parallel metabolic pathway engineering (PMPE), gør det muligt for dem at kontrollere både målkemisk produktion og mikrobeformering. De brugte denne fremgangsmåde til at ændre E. coli -bakterier for med succes at øge produktionen af ​​nylonforstadiet muconsyre.

Brug af den valgte kulkilde udelukkende til kemisk målproduktion og indsættelse af de resterende kilder til mikrobeudbredelse vil medføre store fremskridt i produktionen af ​​aromatiske forbindelser og råvarer til medicinske og kemiske produkter. Resultaterne af denne forskning blev først offentliggjort i Naturkommunikation den 14. januar.

Industrien er afhængig af fossile brændstoffer som råvarer til fremstilling af forskellige produkter. Imidlertid, produktion af petroleumsafledte forbindelser øger mængden af ​​atmosfærisk CO ₂ , forårsager en lang række miljøproblemer.

Følgelig, der er behov for at udvikle bioraffinaderiteknologier, der involverer brug af mikrober til at producere kemiske forbindelser ud fra naturligt rigelige vedvarende ressourcer såsom træ- og plantemateriale. Biomasse-afledte produkter har den fordel, at de er kulstofneutrale; de øger ikke mængden af ​​CO ₂ i atmosfæren. Det håbes, at brug af biomasse til fremstilling af forskellige nyttige forbindelser kan danne grundlag for et lavemissionssamfund, reducere mængden af ​​atmosfærisk CO ₂ .

Muconsyre er et nyttigt kemikalie, der let kan omdannes til adipinsyre, en ingrediens i nylonproduktion. Det bruges også som råvare til produktion af medicinske og kemiske produkter. Imidlertid, det er i øjeblikket kemisk syntetiseret fra petroleumsressourcer. Det er håbet, at der kan udvikles en fermenteringsmetode ved hjælp af mikrober og vedvarende plantebaserede ressourcer med mildere reaktionsforhold og færre biprodukter.

Imidlertid, der er problemer med at bruge mikrober til at producere målkemikalier fra biomasse. Der er mange tilfælde, hvor mikrober, der bruger biomasse, formerer sig i stedet for at producere målkemikaliet. Imidlertid, ændring af stofskiftet for at forhindre mikroberne i at stige får dem til at svække, hvilket betyder, at målkemikalierne ikke kan syntetiseres. Balancen mellem mikrobe selvudbredelse og målkemisk produktion er et stort problem.

For at løse dette dilemma, forskergruppen udviklede PMPE, hvor de adskilte udnyttelse af sukker mellem mikrobeudbredelse og mål kemisk produktion, giver dem mulighed for at kontrollere hver proces uafhængigt.

Lignocellulosisk biomasse, som ikke konkurrerer med globale fødevareforsyninger, består af glucose og xylose sukkerarter (figur 1). Forskerholdet udviklede en metabolisk strategi, som indebar at modificere E. coli-bakterierne, så de ville udnytte glukose til målkemisk produktion og xylose til mikrobeformering.

I almindelige mikrober, glucose og xylose bruger den samme metaboliske vej og bruges begge til mikrobevækst og målrettet kemisk produktion (som vist i figur 2). Dette reducerer mængden af ​​målkemikalier, der syntetiseres, fordi mikroberne absorberer sukkeret for at producere og vedligeholde de grundstoffer og energi, som de har brug for for at leve.

Som vist i figur 2, opdeling af mikrobernes metaboliske vej gør det muligt for hvert sukker at blive brugt uafhængigt med al glucose, der bruges til målkemisk produktion, og al xylose bruges til mikrobeformering og vedligeholdelse. Dette gjorde det muligt at producere et større udbytte af målkemikaliet, fordi ingen af ​​glukosen blev brugt til mikrobevækst.

Denne forskergruppe introducerede en metabolisk vej til den modificerede E. coli til syntetisering af muconsyre. Den modificerede E. coli brugte glucose og xylose, fører til produktion af målkemikaliet. Det lykkedes forskerne at producere 4,26 g/L muconsyre med et udbytte på 0,31 g/g-glucose (figur 3). Dette betragtes som det højeste udbytte i verden, bevise effektiviteten af ​​PMPE-strategien.

Efterfølgende, forskerne undersøgte, om PMPE-strategien kunne anvendes til fremstilling af andre målkemikalier end muconsyre. Som resultat, de med succes øgede udbytterne af den essentielle aminosyre og aromatiske forbindelse phenylalanin, og 1, 2-propandiol, som bruges som tilsætningsstof i medicin og fødevarer. Disse resultater har vist, at PMPE er en alsidig teknik, der kan bruges til effektivt at producere en række forskellige forbindelser.