Ny opdagelse åbner en ny vej for høj-titerproduktion af drop-in biobrændstoffer

Et særligt lysafhængigt enzym, som først blev opdaget for omkring tre år siden, er omdrejningspunktet i en ny videnskabelig opdagelse, der muliggør højudbytteproduktion af drop-in biobrændstoffer fra biomasse.

I en undersøgelse, der nu er offentliggjort i Naturkommunikation , ingeniører fra Aarhus Universitet og Massachusetts Institute of Technology har bevist, at den oprindelige antagelse om den enzymatiske proces i denne biomasse-til-biobrændsel omdannelse faktisk er forkert.

Resultaterne har gjort det muligt for forskerne med succes at biosyntetisere grønne brændstoffer ved tæt på industrielt relevante niveauer på 1,47 gram pr. liter fra glukose.

Det lysafhængige enzym, som stammer fra mikroalger, har den særlige egenskab, at den kan decarboxylere fedtsyrer til alkaner (og dermed omdanne celluloseholdig biomasse til drop-in biobrændstoffer) ved brug af blåt lys som eneste energikilde.

Forskerne indsætter kunstigt enzymet i cellerne i den olieholdige gær Yarrowia Lipolytica og manipulerer derved dets stofskifte. Gæren syntetiserer glukose, stammer fra biomasse, til lipider (specifikt molekylerne frie fedtsyrer og fedtacyl-CoA'er), som derefter omdannes til alkaner af enzymet i en metabolisk reaktion kaldet fedtsyrefotodecarboxylase – kort sagt FAP.

Men lige siden opdagelsen af ​​enzymet, det er blevet antaget, at frie fedtsyrer er enzymets foretrukne reaktant i FAP-processen; at en overflod af frie fedtsyrer ville resultere i højere udbytte af biobrændstofproduktion.

Denne antagelse er forkert, imidlertid.

"I vores undersøgelse, vi har bevist, at fedtsyreacyl-CoA – og ikke fri fedtsyre – er den foretrukne reaktant for det lysafhængige enzym. Dette fund er med succes blevet brugt i vores undersøgelse til at metabolisere 89 procent af fedtsyreacyl-CoA til alkaner, når titere på 1,47 g/l fra glucose, " siger Bekir Engin Eser, adjunkt ved Aarhus Universitet.

Den overvejende produktion af oleokemisk baserede drop-in brændstoffer i dag er lavet ved at omdanne 'konventionelle' oleochemicals såsom vegetabilske olier, brugte madolier, talg, og andre lipider til kulbrinter (hovedsageligt alkaner) ved hjælp af energiintensive kemiske behandlingsmetoder.

Imidlertid, indkøb af store mængder mere eller mindre bæredygtige lipidråvarer til lave nok omkostninger til at resultere i rentabel drop-in produktion af biobrændstof er fortsat en udfordring, der i høj grad begrænser udvidelsen af ​​denne produktionsplatform. Og desuden, denne produktion konkurrerer med fødevareforsyningen.

Biosyntese udgør en billig og bæredygtig løsning, hvor produktionen i stedet er baseret på omdannelsen af ​​celluloseholdig biomasse - den mest udbredte vedvarende naturlige biologiske ressource, der findes på Jorden.

Biologisk syntese af alkaner fra fedtsyrer er ikke en naturlig, den foretrukne metaboliske vej for gæren dog, da alkaner er giftige for dets celler. Derfor, forskere bruger specielle evnenzymer til dette formål og koder de tilsvarende gener ind i gærens celler.

Den nye opdagelse er et muligt gennembrud inden for biosyntese af drop-in brændstoffer, siden forskerne - for første gang nogensinde bruger denne proces - har brugt den nye viden til at syntetisere grønne brændstoffer på et niveau, der er relevant for fremtidig industriel produktion:

"Tidligere metaboliske ingeniørstudier ville sigte mod at maksimere koncentrationen af ​​frie fedtsyrer i de celler, der bliver konstrueret. Men nu, med denne opdagelse, vi ved, at det er fedt acyl-CoA, der skal maksimeres. Dette er vigtige nyheder for syntetisk biologi applikationer, og vi kan nu begynde at maksimere fluxen af ​​fedt-acyl-coA ind i denne konstruerede metaboliske vej for at nå endnu højere titere i fremtiden, " siger lektor Zheng Guo fra Aarhus Universitet.