De ecologische bioproductie van xylitol en cellulose nanovezels met behulp van gemodificeerde gistcellen, van materiaal geproduceerd door de papierindustrie is bereikt door een Japans onderzoeksteam. Deze ontdekking kan bijdragen aan de ontwikkeling van een groenere en duurzamere samenleving. De bevindingen werden op 4 maart gepubliceerd, in Groene chemie .

Het onderzoek is uitgevoerd door een groep onder leiding van universitair docent Gregory Guirimand-Tanaka, Professor Tomohisa Hasunuma en Professor Akihiko Kondo van de Graduate School of Science, Technologie en Innovatie en het Engineering Biology Research Center van Kobe University.

In zijn streven om innovatieve processen te ontwikkelen om tot een duurzame samenleving te komen, Professor Kondo heeft zich gericht op een verscheidenheid aan bioverbindingen zoals xylitol, een zeer waardevolle chemische grondstof, die veel wordt gebruikt in zowel de voedings- als de farmaceutische industrie (bijvoorbeeld als suikervervanger in kauwgom).

Professor Kondo's groep is ook geïnteresseerd in innovatieve nanomaterialen zoals cellulose nanovezels, die een enorm economisch potentieel bieden dankzij de eigenschappen van nanocellulose (mechanische eigenschappen, filmvormende eigenschappen, viscositeit enz.), en belangrijke toepassingen in voedsel, hygiëne, absorberend, medisch, cosmetische en farmaceutische producten.

De wereldwijde vraag naar zowel xylitol- als cellulose-nanovezels groeit voortdurend, en de kosten en de milieu-impact van hun industriële productie blijven zeer hoog.

De industriële productie van xylitol- en cellulose-nanovezels uit respectievelijk gezuiverde D-xylose- en cellulosevezels gaat gepaard met kostbare en vervuilende processen. Om deze vraagstukken op te lossen en een duurzame en milieubewuste samenleving te realiseren, we moeten gebruik maken van hernieuwbare biomassa zoals papierpasta (kraftpulp) en innovatieve processen ontwikkelen.

Biotechnologische productie van xylitol en cellulose-nanovezels met behulp van Kraft-pulp, afkomstig uit de papierindustrie, zou een voordelige optie kunnen zijn, aangezien dit materiaal overvloedig is, bevat redelijke hoeveelheden (17%) D-xylose, en kan worden omgezet in zeer waardevolle grondstofverbindingen en nanomaterialen.

Om de D-xylose in Kraft-pulp vrij te maken, we moeten meestal een grote hoeveelheid commerciële enzymen (CE) toevoegen, die erg kostbaar zijn. Daarom, we besloten om micro-organismen te gebruiken zoals gemodificeerde gist, die in staat is deze enzymen zelf te produceren, om de aanvankelijk benodigde hoeveelheid CE te verminderen. De ontwikkelde gemodificeerde gistcellen dragen deze enzymen direct op hun eigen celoppervlak, en we noemen deze strategie "cell surface display"-technologie.

In dit onderzoek, xylitol en cellulose-nanovezels werden gecoproduceerd uit Kraft-pulp met behulp van een gemodificeerde stam van bakkersgist (Saccharomyces cerevisiaeYPH499-stam) die drie verschillende enzymen tot expressie brengt (β-D-glucosidase (BGL), xylosidase (XYL) en xylanase (XYN)) samen weergegeven op het celoppervlak.

Door deze strategie te gebruiken, we waren niet alleen in staat om xylitol en cellulose nanovezels te produceren, maar ook om de zuiverheid van de cellulose zelf en de kostenefficiëntie van het proces aanzienlijk te verhogen door de aanvankelijk benodigde hoeveelheid CE te verminderen (figuur 1).

Tenslotte, ons team was in staat om deze experimenten in grotere volumes met succes uit te voeren door gebruik te maken van fermentoren van 2 liter, waardoor we de industriële productie van xylitol en cellulose-nanovezels uit kraftpulp in bioraffinaderijen verder kunnen opschalen (figuur 2).

Op basis van deze bevindingen, het team zal blijven zoeken naar manieren om de duurzame bioproductie van xylitol en cellulose-nanovezels te vergroten door middel van genetische manipulatie van gistcellen.