Druk bezig, productieve microben gebruiken enzymen om bladeren af ​​te breken, stengels en andere biomassa en zet dat materiaal vervolgens om in hernieuwbare brandstoffen en chemicaliën. Maar sommige van die enzymen kunnen niet functioneren bij de hoge temperaturen of zuurgraad die lage bedrijfskosten voor fermentatieprocessen handhaven.

Een onderzoeksteam onder leiding van Laura Jarboe van de Iowa State University zal proberen dat probleem op te lossen door ruwere, hardere enzymen en technische microben om ze te gebruiken bij industriële fermentatie. Hun werk wordt ondersteund door een driejarige $969, 000 subsidie ​​van het Amerikaanse ministerie van Energie.

"We willen deze microben robuuster maken, " zei Jarboe, Cargill-hoogleraar chemische technologie in de staat Iowa. "Om dat te doen, we moeten nadenken over het probleem voor de microben. We kunnen niet zomaar zeggen, 'Doe het beter.'"

In dit geval, enzymen die koeling of pH-aanpassingen (zuurgraad/alkaliteit) nodig hebben om actief te blijven, zijn kostbare problemen. Sommige van deze enzymen zijn essentieel voor het vermogen van microben om biogebaseerde substraten om te zetten in producten, en sommige zijn van vitaal belang voor het overleven van organismen.

Zijn er hardere, harder, robuustere enzymen die er zijn? Kunnen industriële microben zo worden ontworpen dat ze meer op "extremofielen" lijken en actief blijven onder de barre omstandigheden in de fermentoren?

Samenwerken om antwoorden te vinden zijn Jarboe; Robert Jernigan, een Iowa State Charles F. Curtiss Distinguished Professor in Agriculture and Life Sciences in de Roy J. Carver Department of Biochemistry, Biofysica en Moleculaire Biologie; en Peter St. John, een senior wetenschapper in het Biosciences Center van het National Renewable Energy Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie in Golden, Colorado.

Miljoenen om microben te bestuderen

Het Office of Biological and Environmental Research van de energieafdeling heeft deze zomer 34 biotechnologische subsidies toegekend voor een totaal van $ 45,5 miljoen. inclusief deze subsidie ​​ter ondersteuning van het werk van Jarboe, Jernigan en St. John. De winnaars werden geselecteerd na een competitieve, peer review proces.

"Biobrandstoffen die vliegtuigen en schepen kunnen aandrijven, en bioproducten gemaakt van hernieuwbare bronnen zullen een cruciale rol spelen bij het koolstofarm maken van onze economie, " zei minister van Energie Jennifer M. Granholm, in een verklaring waarin de subsidies worden aangekondigd.

Het onderzoeksprogramma van de energieafdeling richt zich op twee studiegebieden:re-engineering van microben die helpen biomassa en synthetische polymeren om te zetten in brandstoffen en producten. En twee, ontwikkeling van beeldvormingstechnologieën om de planten en microben die worden gebruikt om bioproducten te produceren, beter te bestuderen.

De verschillende projecten "zullen ons helpen begrijpen, voorspellen, en zelfs ontwerp (biobrandstoffen en bioproducten) op cellulair niveau, zodat we hun volledige potentieel kunnen ontsluiten, ' zei Granholm.

Labs naar fabrieken

Jarboe, Jernigan en St. John hebben een driedelig plan ontwikkeld om microben opnieuw te ontwerpen zodat ze hitte- en zuurbestendige enzymen produceren:

• St. John zal de inspanningen leiden om computationele, genoomschaalmodellen van microbieel metabolisme, inclusief de chemische reacties die suikers omzetten in energie. De modellen zullen de onderzoekers helpen voorspellen hoe hogere temperaturen of veranderingen in zuurgraad de reacties zullen veranderen. "Ons werk zal proberen te identificeren welke enzymen op deze stress reageren en het metabolisme nadelig beïnvloeden, die vervolgens kunnen worden ingezet voor vervanging, " hij zei.
• Jernigan zal het zoeken naar enzymgegevens leiden om sterke vervangingen te identificeren voor de enzymen die falen bij hoge temperatuur of zuurgraad. "Ik heb mijn hele leven eiwitten bestudeerd en we hebben ongelooflijk rijke gegevens - enkele honderden miljoenen eiwitsequenties - en dit is een kans om praktische toepassingen van deze informatie te maken, " hij zei.
• Jarboe zal leiding geven aan de inspanningen om microben te ontwikkelen die de robuuste vervangende enzymen kunnen produceren. Er zullen ook experimenten zijn om de microben te evalueren en te karakteriseren, enzymen en de daaruit voortvloeiende chemische reacties. "Misschien maakt het niet uit dat sommige processen afhankelijk zijn van zeer gevoelige enzymen, "zei ze. "Misschien zijn er andere enzymen die exact hetzelfde werk kunnen doen."

Als dat het geval is, die vervangende enzymen zouden ooit een verschil kunnen maken in hoe biohernieuwbare brandstoffen, chemicaliën en andere producten worden vervaardigd.

"Het vinden van een systematische benadering van het ontwerpen van thermotolerantie en pH-tolerantie in microben, " St. John zei, "Zal hopelijk nieuw ontwikkelde stammen in staat stellen om met grotere snelheid en lagere kosten van het laboratorium naar de industrie te gaan."