Een milieuvriendelijkere en duurzamere methode om de nuttige chemische stof te produceren 1, 2, 4-butaantriol is ontdekt. Het team van de Kobe University was de eerste ter wereld die een methode gebruikte waarbij xylose in rijststro rechtstreeks wordt gefermenteerd met behulp van een gemanipuleerde giststam om 1 te produceren. 2, 4-butaantriol. Tijdens het uitvoeren van dit onderzoek, het team heeft met succes twee knelpunten overwonnen om de productie te maximaliseren.

Het onderzoek is uitgevoerd door academisch onderzoeker Takahiro Bamba en professor Akihiko Kondo (van de Graduate School of Science, technologie en innovatie), en professor Tomohisa Hasunuma (van het Engineering Biology Research Center).

1, 2, 4-butaantriol toepassingen en huidige productiemethoden:

De grondstof chemische 1, 2, 4-butaantriol heeft een breed scala aan praktische toepassingen op verschillende gebieden. Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt bij de productie van oplosmiddelen en om verschillende farmaceutische producten te synthetiseren, zoals antivirale en cholesterolverlagende medicijnen, onder andere.

Huidige productiemethoden 1, 2, 4-butaantriol gebruikt grondstoffen afgeleid van olie en resulteert in bijproducten die schadelijk zijn voor het milieu. De meest gebruikelijke manier om de chemische stof te produceren is door natriumboorhydride (NaBH ₄ ) om appelzuur chemisch te reduceren tot 1, 2, 4-butaantriol. Het proces genereert echter een grote hoeveelheid boraatzouten. Het weggooien van deze zouten veroorzaakt vervuiling. Chromiet en rubidium kunnen ook worden gebruikt als katalysatoren voor 1, 2, 4-butaantriol productie, deze methoden vereisen echter hoge temperatuur en hoge druk, en resulteren ook in giftige bijproducten.

Het afleiden van xylose (de op één na meest voorkomende natuurlijke suiker) uit lignocellulose biomassa (droog plantaardig materiaal) en het gebruiken ervan om chemicaliën te produceren biedt meerdere voordelen, aangezien het een hernieuwbare hulpbron is die veel minder milieuvervuiling veroorzaakt. Het biedt een duurzaam alternatief voor op aardolie gebaseerde productie.

Methodologie

Zoals weergegeven in figuur 1, 1, 2, 4-butaantriol wordt geproduceerd door microben via een 5-traps reactieproces in de cellen.

Maar in stap 1 3 en 4 van de reactie, er waren geen enzymen om een ​​katalysator in de gist te verschaffen. In dit onderzoek, rijststro hydrolysaat werd gebruikt om xylose te produceren. De gebruikte gist is genetisch gemanipuleerd met de vereiste enzymen om met succes een efficiënte opbrengst van 1 te produceren. 2, 4-butaantriol.

In de eerste succesvolle proef slechts 0,02 g/l van 1, 2, 4-butaantriol werd geproduceerd. Door deze resultaten te onderzoeken, het werd duidelijk dat er onvoldoende katalytische activiteiten waren voor stadium 3 en stadium 4 in de gistcellen. Dit betekende dat de reactie in fase 3 en 4 werd vertraagd. Deze reacties werden als knelpunten beschouwd.

Met de aanwezigheid van ijzerzwavelclusters in de structuur van de xylonaatdehydratasekatalysator in stadium 3, het werd duidelijk dat het voor de gist moeilijk was om een ​​reactie met het ijzerzwaveleiwit in de cellen in stand te houden. Dit was te wijten aan een onvoldoende hoeveelheid ijzerzwavelclusters in de gistcellen.

IJzer (Fe) is essentieel voor de gistcellen om 1, 2, 4-butaantriol, te veel ijzer beschadigt echter de cellen. Metabolic engineering (het optimaliseren van regulerende en genetische processen in cellen om de productie van een bepaalde stof te verhogen) werd gebruikt om de gist verder genetisch te modificeren om zijn ijzermetabolisme te verhogen. Dit verbeterde de reactiviteit van de gist met de xylonaatdehydratase en zorgde ervoor dat functionele Fe-S-enzymen werden gevormd (Figuur 2). Het gebruik van deze gemodificeerde giststam verbeterde de katalytische activiteit met ongeveer 6 keer.

Verder, het stadium 4 knelpunt werd overwonnen door KdcA (afkomstig van Lactococcus lactis - een bacterie die gewoonlijk wordt gebruikt voor fermentatie in de voedingsindustrie) als decarboxylase om voldoende katalytische activiteit te verschaffen.

Resultaten

uiteindelijk, deze methode slaagde erin 1,7 g/l van 1 te produceren 2, 4-butaantriol wanneer gemanipuleerde gist werd gebruikt. In aanvulling, 1,1 g/L van 1, 2, 4-butaantriol werd geproduceerd door de rijststro-hydrolysaatoplossing die tijdens het fermentatie-experiment als medium werd gebruikt (Figuur 3).

Dit onderzoek suggereert dat het mogelijk zou zijn om met een vergelijkbare methode andere chemicaliën te produceren die ijzerzwaveleiwitten nodig hebben. Het optimaliseren van de metabole route in deze studie door verder onderzoek zou een grotere productie van bruikbare verbindingen uit lignocellulose-biomassa mogelijk maken. Dit zou de toekomstige afhankelijkheid van eindige oliebronnen en vervuilende productiemethoden kunnen verminderen.