En svamp omdanner cellulose direkte til et nyt platformkemikalie
Svampen Talaromyces verruculosus kan producere den kemiske erythro-isocitronsyre direkte fra billigt planteaffald og dermed gøre den interessant til industriel udnyttelse.
Ved hjælp af den ikke-genmodificerede svamps naturlige evner har et forskerhold fra Jena opdaget en metode til effektiv omdannelse af cellulose til en form for isocitrinsyre. Den nye produktionsmetode kunne væsentligt forenkle den tidligere komplekse og flertrinsproces til opnåelse af platformskemikalier fra cellulose ved kun at kræve en enkelt bioproces.
Takket være den nye omkostningseffektive metode kan det sjældent anvendte søstermolekyle af den intensivt brugte citronsyre gavne en bæredygtig cirkulær økonomi – forudsat at der er et marked for det.
Undersøgelsen blev offentliggjort af et forskerhold fra Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology—Hans Knöll Institute (Leibniz-HKI) i tidsskriftet ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
Som naturlige stofskifteprodukter fra de fleste levende organismer er citronsyre og isocitronsyre blandt de mest udbredte syrer i naturen. Citronsyre fremstilles industrielt i store mængder ved hjælp af skimmelsvampen Aspergillus niger. Med en årlig produktion på omkring 2,8 millioner tons på verdensplan er det et af de bioteknologiske produkter med størst volumen af alle.
Dets anvendelsesområde er enormt:hvad enten det er som afkalkningsmiddel, konserveringsmiddel, plejeprodukt eller smagsforstærker – det alsidige naturlige kemikalie er et vigtigt og også billigt tilsætningsstof i industrien, da bioteknologisk produktion er ekstremt effektiv og ukompliceret.
Produktion af bioplast og biobrændstoffer ud fra citronsyre er også teknisk mulig. Men da citronsyre fremstilles af sukker og derfor er i direkte konkurrence med fødevareproduktionen, har disse anvendelsesområder hidtil hverken været økonomiske eller bæredygtige. Faktisk forbruger produktionen af citronsyre i øjeblikket mere end 1 % af den globale sukkerproduktion.
Isocitronsyre ligner meget citronsyre, kun en hydroxylgruppe er placeret på et andet carbonatom. Dette gør molekylet asymmetrisk, og der er to forskellige varianter, kendt som diastereomerer, som omtales som threo- og erythro-isocitrinsyre. Hver diastereomer har to spejlbillede-varianter, D- og L-formerne.
Citronsyre og isocitronsyre har næsten identiske egenskaber, og det kan antages, at iso-formen ville være lige så vidt anvendelig. Grunden til, at det ikke er tilfældet, er, at der endnu ikke har været en effektiv produktionsproces for ren isocitronsyre, så den er i øjeblikket kun tilgængelig som forskningskemikalie.
Et kilo af stoffet koster i øjeblikket omkring 18.000 euro. Men den nye produktionsproces muliggør en bæredygtig og billig produktion af planteaffald og rester som halm, affaldspapir eller trærester, hvilket kan gøre det muligt at producere isocitronsyre endnu billigere end citronsyre i fremtiden.
Indtil nu har det været nødvendigt med en kompleks proces i tre trin for at bruge sådanne vedvarende kildematerialer. Der skulle dyre enzymer til for først at nedbryde cellulosen enzymatisk til sukker, så den endelig kunne udnyttes af mikroorganismerne.
Én svamp – én proces
En lovende tilgang er såkaldt konsolideret bioprocessing (CBP), hvor forskellige procestrin kombineres til et enkelt ved hjælp af egnede mikroorganismer. Stjernen i den nye bioteknologiske procedure er skimmelsvampen Talaromyces verruculosus.
I screeningstests opdagede førsteforfatter Ivan Schlembach, at vildtypen af T. verruculosus isoleret fra naturen kan omdanne lignocellulose direkte til erythro-isocitriensyre, massevis og meget effektivt i en enkelt proces, hvor svampen selv producerer alle de enzymer, der kræves mhp. dette.
I forsøg har forskerne fastlagt de ideelle betingelser for cellulosenedbrydning og produktion af isocitronsyre, herunder faktorer som nitrogenindhold, pH-værdi, temperatur og næringsstofkoncentration. De udviklede også nye metoder til præcist at måle aktiviteten af enzymet cellulase, som er afgørende for nedbrydningen af cellulose, under fermenteringsprocessen. Dette muliggør optimal kontrol af produktionsprocessen.
Miriam Rosenbaum leder Bio Pilot Plant på Leibniz-HKI og er professor i syntetisk bioteknologi ved Friedrich Schiller University Jena. Hun forklarer, "T. verruculosus har den unikke evne til at omdanne lignocellulose direkte til erythro-isocitriensyre med bemærkelsesværdig effektivitet.
"Det gør den med en hastighed, der kan sammenlignes med omdannelsen af glukose, som bruges i laboratoriet som udgangsmateriale til fermenteringsprocessen. Med svampen har vi udviklet en enklere og billigere proces."
Produkt søger marked
Isocitronsyre kan let omdannes kemisk til itaconsyre, som der allerede er stor efterspørgsel efter til produktion af bæredygtig plast og belægninger. Hvis erythro-isocitronsyre er let tilgængelig, bør der derfor ikke mangle kunder.
Der er dog den samme hindring som for ethvert nyt stof:Da erythro-isocitronsyre ikke har været tilgængelig i store mængder til dato, skal markedet for det først etableres.
Den væsentligt billigere proces, der nu er udviklet, åbner op for nye muligheder og anvendelser.
Et andet særligt træk er det faktum, at der kun dannes erythro-isocitronsyre i processen og ikke en blanding af forskellige diastereomerer. Dette gør molekylet særligt interessant til specielle anvendelser, for eksempel i den farmaceutiske industri.
I tilfælde af lægemidler er ofte kun én diastereomer effektiv, så den skal møjsommeligt isoleres fra blandingen af begge varianter. Erythro-isocitronsyre kan tjene som en værdifuld chiral byggesten til kemiske synteser.
De specifikke biologiske egenskaber af erythro-isocitronsyre er kun lidt undersøgt til dato. Imidlertid er mange nyttige egenskaber blevet påvist for søstermolekylet threo-isocitronsyre.
Sidstnævnte kan være en værdifuld tilføjelse til citronsyre, især i den medicinske, farmaceutiske, kosmetiske eller fødevareindustri, for eksempel som et chelateringsmiddel, som et antikoagulant i blodprøver, som et funktionelt kosttilskud, som en ingrediens i kosmetik, som konserveringsmiddel eller som anti-aldringsforbindelse i livsstilsprodukter.
Resultaterne understreger, at organismer som T. verruculosus kan muliggøre bæredygtig udnyttelse af bioaffald og gøre produktionen af værdifulde kemikalier fra vedvarende biomasse økonomisk rentabel.
"Naturen rummer et enormt potentiale til at tackle globale bæredygtighedsudfordringer. Svampen T. verruculosus lægger grundlaget for en billig grøn teknologi, og der er også mange industrielle anvendelser for isocitronsyre. Det eneste, der mangler i øjeblikket, er markedets åbenhed mht. den nye proces," understreger Ivan Schlembach.
Forskerholdet arbejder nu på yderligere at optimere processen og belyse de biokemiske reaktioner, der er involveret i dannelsen af isocitronsyre. Ved at forfine biokemiske parametre håber forskerne fra Jena at bidrage til overgangen til en bæredygtig og ressourceeffektiv bioøkonomi.
I fremtiden vil de samarbejde med interesserede industrielle partnere for at finde ud af, om proceduren, som nu er patenteret, også kan holde sig på markedet.
Flere oplysninger: Ivan Schlembach et al., Nonengineered Fungus giver en genvej fra cellulose til bulk erythro-isocitrisk syre, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c04664
Journaloplysninger: ACS Sustainable Chemistry &Engineering
Leveret af Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI)
Varme artikler
-
Molekylær blanding skaber superstabilt glasForsker Sandra Hultmark arbejder med en prøve af det nye glasmateriale ved hjælp af en FSC-maskine (Fast Scanning Calorimetry). Kredit:Sepideh Zokaei, Chalmers Tekniske Universitet Forskere ved Ch -
Cementfabrikker kan sætte bremserne på global plastforureningFor at fjerne oceanerne for plastik, vi skal først af med plastik på land. Cementfabrikker i Asien kan være en del af løsningen. Kredit:Unsplash.com Håb midt i krisen. Overfyldte lossepladser i As -
Carbon nanokompositter er nu et skridt tættere på praktisk industriCarbon-nanokomposit efter afslutning af støbeprocessen. Prøven vil blive testet for piezoresistiv respons efter mindre efterbehandling. Disse materialer kan formes til næsten enhver størrelse og form. -
Inspireret af naturlige signaler i levende celler, forskere designer kunstig gasdetektorKemikere fra University of Tokyo har designet bittesmå nanokuber, der naturligt lyser blåt under UV-lys. Gløden er 3,9 gange stærkere, når kuberne er fyldt med brændbar gas. Nanokuberne er et første s
- Anvendelse af fosfor i lyspærer
- Religiøs tro, der ikke er forbundet med intuition eller rationel tænkning:undersøgelse
- Stærkt jordskælv ryster den indonesiske ø Sulawesi
- Hvad betyder LCM i matematik?
- Klimaændringsstudie finder New Hampshires varmere vejr vil bringe varmere vandløb
- Russiske dukkepolymer-vesikler efterligner cellestruktur