En ny bioproces til at omdanne plantematerialer til værdifulde kemikalier

Et team af forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign udviklede en bioproces ved hjælp af manipuleret gær, der fuldstændigt og effektivt omdannede plantemateriale bestående af acetat og xylose til bioprodukter af høj værdi.

Lignocellulose, det træagtige materiale, der giver planteceller deres struktur, er det mest udbredte råmateriale på Jorden og har længe været betragtet som en kilde til vedvarende energi. Det indeholder primært acetat og sukkerstofferne glucose og xylose, som alle frigives under nedbrydning.

I et blad udgivet i Naturkommunikation , holdet beskrev sit arbejde, som tilbyder en levedygtig metode til at overvinde en af ​​de største forhindringer, der hæmmer kommercialiseringen af ​​lignocelluloseholdige biobrændstoffer - acetats toksicitet over for fermenterende mikrober såsom gær.

"Dette er den første tilgang til at demonstrere den effektive og fuldstændige udnyttelse af xylose og acetat til produktion af biobrændstof, " sagde professor i fødevarevidenskab og human ernæring Yong-Su Jin. En tilknyttet Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, Jin ledede forskningen med den daværende kandidatstuderende Liang Sun, avisens første forfatter.

Deres metodologi udnyttede fuldt ud xylose og acetat fra cellevæggene i switchgrass, omdanne acetatet fra et uønsket biprodukt til et værdifuldt substrat, der øgede gærens effektivitet til at omdanne sukkerarterne i hydrosolaterne.

"Vi fandt ud af, at vi kan bruge det, der er blevet betragtet som et giftigt, ubrugelig stof som en supplerende kulstofkilde med xylose til økonomisk fremstilling af fine kemikalier" såsom trieddikesyrelakton, eller TAL, og vitamin A, som er afledt af det samme precursor-molekyle, acetyl coenzym A, sagde Jin.

TAL er et alsidigt platformkemikalie, der i øjeblikket opnås ved raffinering af olie og bruges til at producere plastik og fødevareingredienser, sagde Sun, i øjeblikket en postdoc-studerende ved University of Wisconsin, Madison.

I tidligere arbejde, medforfatter Soo Rin Kim, dengang en fellow fra Energy Biosciences Institute, udviklet en stamme af gæren Saccharomyces cerevisiae til at indtage xylose hurtigt og effektivt. Kim er i øjeblikket fakultetsmedlem ved Kyungpook National University, Sydkorea.

I den aktuelle undersøgelse, de brugte switchgrass høstet på U. of I. Energy Farm til at skabe hemicellulosehydrolysater. De konstruerede gærceller blev brugt til at fermentere glukosen, xylose og acetat i hydrosalaterne.

Når glucose og acetat blev tilvejebragt sammen, S. cerevisiae omdannede hurtigt glucosen til ethanol, sænke cellekulturens pH-niveau. Imidlertid, acetatforbruget var stærkt hæmmet, får kulturen til at blive giftig for gærcellerne under lave pH-forhold.

Når xylose blev forsynet med acetat, "disse to kulstofkilder dannede synergier, der fremmede effektiv metabolisme af begge forbindelser, " sagde Sun. "Xylose understøttede cellevækst og leverede tilstrækkelig energi til assimilering af acetat. Derfor, gæren kunne metabolisere acetat som et substrat meget effektivt til at producere en masse TAL."

På samme tid, mediets pH-niveau steg, efterhånden som acetatet blev metaboliseret, hvilket igen fremmede gærens forbrug af xylose, sagde Sun.

Da de analyserede S. cerevisiaes genekspression ved RNA-sekventering, de fandt ud af, at nøglegener involveret i acetatoptagelse og metabolisme blev dramatisk opreguleret af xylose sammenlignet med glucose, sagde Sun.

Gærceller, der blev fodret med både acetat og xylose, akkumulerede større biomasse, sammen med 48% og 45% stigninger i deres niveauer af lipider og ergosterol, henholdsvis. Ergosterol er et svampehormon, der spiller en vigtig rolle i stresstilpasning under fermentering.

Samanvendelse af acetat og xylose øgede også gærens tilførsel af acetyl-CoA, et forløbermolekyle af ergosterol og lipider, og gav en metabolisk genvej - omdannelse af acetat til acetyl-CoA, bringer TAL-produktionen et skridt nærmere, sagde Sun.

"Ved at bruge xylose og acetat som kulstofkilder, vi var i stand til at forbedre TAL-produktionen dramatisk - 14 gange større produktion end tidligere rapporteret ved hjælp af manipuleret S. cerevisiae, " sagde Sun. "Vi brugte også denne strategi til produktion af vitamin A, demonstrerer dets potentiale for at overproducere andre højværdi bioprodukter afledt af acetyl-CoA, såsom steroider og flavonoider."

Fordi processen grundigt brugte kulstofkilderne i den lignocelluloseholdige biomasse, Jin og Sun sagde, at det problemfrit kan integreres i celluloseholdige bioraffinaderier.

"Det handler om vores samfunds bæredygtighed, " sagde Sun. "Vi er nødt til fuldt ud at udnytte disse uudnyttede ressourcer til at bygge en bæredygtig fremtid. Vi håber, at om 50 eller 100 år, vi vil hovedsageligt være afhængige af disse vedvarende og rigelige råstoffer for at producere den energi og de materialer, vi har brug for til vores daglige liv. Det er vores mål. Men for nu, vi gør bare små ting for at sikre, at dette gradvist sker."