Forskere konstruerer hårdere mikrober for at forbedre bioproduktion af brændstoffer, kemikalier

Travl, produktive mikrober bruger enzymer til at nedbryde blade, stilke og anden biomasse og derefter omdanne det materiale til vedvarende brændstoffer og kemikalier. Men nogle af disse enzymer kan ikke fungere ved de høje temperaturer eller surhedsgrad, der opretholder lave driftsomkostninger ved gæringsprocesser.

Et forskerhold ledet af Iowa State Universitys Laura Jarboe vil forsøge at løse dette problem ved at identificere grovere, hårdere enzymer og ingeniørmikrober til at bruge dem i industriel gæring. Deres arbejde understøttes af et treårigt, $ 969, 000 tilskud fra det amerikanske energiministerium.

"Vi ønsker at gøre disse mikrober mere robuste, "sagde Jarboe, Iowa State's Cargill Professor i kemiteknik. "At gøre det, vi skal tænke over problemet med mikroberne. Vi kan ikke bare sige, 'Gøre det bedre.'"

I dette tilfælde, enzymer, der kræver afkøling eller pH (surhedsgrad/alkalinitet) justeringer for at forblive aktive, er dyre problemer. Nogle af disse enzymer er afgørende for mikrobernes evne til at omdanne biobaserede substrater til produkter, og nogle er afgørende for organismenes overlevelse.

Er der hårdere, hårdere, mere robuste enzymer derude? Kunne industrielle mikrober konstrueres til at ligne mere "ekstremofile" og forblive aktive under de hårde forhold i fermentorerne?

Sammen for at finde svar er Jarboe; Robert Jernigan, en Iowa -stat Charles F. Curtiss Fremstående professor i landbrug og biovidenskab i Roy J. Carver Institut for Biokemi, Biofysik og molekylærbiologi; og Peter St. John, en seniorforsker i Biosciences Center ved U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado.

Millioner til at studere mikrober

Energiafdelingens kontor for biologisk og miljømæssig forskning tildelte 34 bioteknologiske tilskud på i alt 45,5 millioner dollars i sommer, herunder dette tilskud til støtte for Jarboes arbejde, Jernigan og St. John. Vinderne blev udvalgt efter en konkurrence, peer-review proces.

"Biobrændstoffer, der kan drive fly og skibe, og bioprodukter fremstillet af vedvarende ressourcer vil spille en afgørende rolle i dekarbonisering af vores økonomi, "sagde energiminister Jennifer M. Granholm, i en erklæring, der meddeler tilskuddene.

Energiafdelingens forskningsprogram er rettet mod to studieretninger:Et, ombygning af mikrober, der hjælper med at omdanne biomasse og syntetiske polymerer til brændstoffer og produkter. Og to, udvikling af billedteknologier til bedre at studere de planter og mikrober, der bruges til at producere bioprodukter.

De forskellige projekter "hjælper os med at forstå, forudsige, og endda design (biobrændstoffer og bioprodukter) på mobilniveau, så vi kan frigøre deres fulde potentiale, Sagde Granholm.

Labs til fabrikker

Jarboe, Jernigan og St. John har udviklet en tredelt plan for at genudvikle mikrober, så de producerer varme- og syre-resistente enzymer:

• St. John vil lede bestræbelser på at bygge beregningsmæssige, genomskala modeller for mikrobiel metabolisme, herunder de kemiske reaktioner, der omdanner sukker til energi. Modellerne vil hjælpe forskerne med at forudsige, hvordan højere temperaturer eller ændringer i surhed vil ændre reaktionerne. "Vores arbejde vil forsøge at identificere, hvilke enzymer der reagerer på disse belastninger og påvirker stofskiftet negativt, som derefter kan målrettes til udskiftning, " han sagde.
• Jernigan vil lede søgninger efter enzymdata for at identificere hårdføre erstatninger for de enzymer, der fejler ved høj temperatur eller surhed. "Jeg har studeret proteiner hele mit liv, og vi har utroligt rige data - flere hundrede millioner proteinsekvenser - og dette er en mulighed for praktisk at anvende disse oplysninger, " han sagde.
• Jarboe vil lede bestræbelser på at konstruere mikrober, der kan producere de robuste udskiftningsenzymer. Der vil også være eksperimenter for at evaluere og karakterisere mikroberne, enzymer og resulterende kemiske reaktioner. "Måske er det ligegyldigt, at nogle af processerne er afhængige af meget følsomme enzymer, "sagde hun." Måske er der andre enzymer, der kan udføre det samme arbejde. "

Hvis det er tilfældet, disse udskiftningsenzymer kunne en dag gøre en forskel i, hvordan biofornybare brændstoffer, kemikalier og andre produkter fremstilles.

"Find en systematisk tilgang til konstruktion af termotolerance og pH-tolerance i mikrober, "St. John sagde, "forhåbentlig tillader nyudviklede stammer at flytte fra laboratoriet til industrien med større hastighed og lavere omkostninger."