Een onderzoeksgroep, bestaande uit promovendus Fujiwara Ryosuke, Universitair hoofddocent Tanaka Tsutomu (beiden van de Graduate School of Engineering van Kobe University) en onderzoekswetenschapper Noda Shuhei (RIKEN Center for Sustainable Resource Science), is erin geslaagd het rendement van de beoogde chemische productie uit biomassa te verbeteren. Ze bereikten dit door de bacteriën die bij de bioproductie worden gebruikt metabolisch te manipuleren, zodat het verschillende soorten suiker die uit de biomassa worden geabsorbeerd, voor afzonderlijke doeleinden zou gebruiken.

Er zijn problemen met het gebruik van microben om doelchemicaliën te produceren. Als de microben de koolstofbronnen (suikers) gebruiken voor hun eigen vermeerdering, de productie van doelchemicaliën daalt. Anderzijds, het onderdrukken van deze voortplanting zorgt ervoor dat de microben verzwakken, resulterend in een algehele productiedaling. Om dit probleem op te lossen, het onderzoeksteam ontwikkelde een nieuwe strategie genaamd parallel metabolic pathway engineering (PMPE), waardoor ze zowel de beoogde chemische productie als de verspreiding van microben kunnen beheersen. Ze gebruikten deze aanpak om E. coli-bacteriën te veranderen om met succes de productie van de nylonprecursor muconzuur te stimuleren.

Door de geselecteerde koolstofbron uitsluitend te gebruiken voor de productie van doelchemicaliën en de resterende bronnen in te zetten voor de vermeerdering van microben, zullen grote vorderingen worden gemaakt in de productie van aromatische verbindingen en grondstoffen voor medische en chemische producten. De resultaten van dit onderzoek zijn voor het eerst gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 14 januari.

De industrie vertrouwt op fossiele brandstoffen als grondstof voor de productie van verschillende producten. Echter, het produceren van van aardolie afgeleide verbindingen verhoogt de hoeveelheid atmosferische CO ₂ , veel milieuproblemen veroorzaken.

Bijgevolg, er is behoefte aan de ontwikkeling van bioraffinagetechnologieën waarbij microben worden gebruikt om chemische verbindingen te produceren uit natuurlijk overvloedige hernieuwbare bronnen zoals boom- en plantaardig materiaal. Van biomassa afgeleide producten hebben het voordeel dat ze CO2-neutraal zijn; ze verhogen de hoeveelheid CO . niet ₂ in de atmosfeer. Het is te hopen dat het gebruik van biomassa om verschillende nuttige verbindingen te produceren een basis kan vormen voor een koolstofarme samenleving, vermindering van de hoeveelheid atmosferische CO ₂ .

Muconzuur is een nuttige chemische stof die gemakkelijk kan worden omgezet in adipinezuur, een ingrediënt in de nylonproductie. Het wordt ook gebruikt als grondstof bij de productie van medische en chemische producten. Echter, het wordt momenteel chemisch gesynthetiseerd uit aardoliebronnen. Gehoopt wordt dat een fermentatiemethode kan worden ontwikkeld met behulp van microben en hernieuwbare plantaardige bronnen met mildere reactieomstandigheden en minder bijproducten.

Echter, er zijn problemen met het gebruik van microben om doelchemicaliën uit biomassa te produceren. Er zijn veel gevallen waarin microben die biomassa gebruiken zichzelf voortplanten in plaats van de beoogde chemische stof te produceren. Echter, het veranderen van het metabolisme om te voorkomen dat de microben toenemen, zorgt ervoor dat ze verzwakken, wat betekent dat de doelchemicaliën niet kunnen worden gesynthetiseerd. De balans tussen zelfvermeerdering van microben en de productie van chemische doelwitten is een groot probleem.

Om dit dilemma op te lossen, het onderzoeksteam ontwikkelde PMPE waarin ze het gebruik van suiker scheidden tussen de voortplanting van microben en de productie van chemische stoffen, waardoor ze elk proces onafhankelijk kunnen besturen.

Lignocellulose biomassa, die niet concurreert met de wereldwijde voedselvoorziening, bestaat uit glucose- en xylosesuikers (Figuur 1). Het onderzoeksteam ontwikkelde een metabole strategie waarbij de E. coli-bacteriën werden gewijzigd, zodat het glucose zou gebruiken voor de productie van chemische doelwitten en xylose voor de verspreiding van microben.

Bij gewone microben glucose en xylose gebruiken dezelfde metabole route en worden beide gebruikt voor de groei van microben en de productie van chemische doelwitten (zoals weergegeven in figuur 2). Dit vermindert de hoeveelheid gesynthetiseerde doelchemicaliën omdat de microben de suikers absorberen om de elementen en energie te produceren en te behouden die ze nodig hebben om te leven.

Zoals weergegeven in figuur 2, door de metabole route van de microben te verdelen, kan elke suiker onafhankelijk worden gebruikt, waarbij alle glucose wordt gebruikt voor de productie van chemische doelwitten en alle xylose wordt gebruikt voor de voortplanting en het onderhoud van microben. Hierdoor kon een grotere opbrengst van de beoogde chemische stof worden geproduceerd omdat geen van de glucose werd gebruikt voor de groei van microben.

Deze onderzoeksgroep introduceerde een metabolische route naar de gemodificeerde E. coli voor de synthese van muconzuur. De gemodificeerde E. coli gebruikte de glucose en xylose, leidend tot de productie van de beoogde chemische stof. De onderzoekers slaagden erin om 4,26 g/L muconzuur te produceren met een opbrengst van 0,31 g/g-glucose (Figuur 3). Dit wordt beschouwd als de hoogste opbrengst ter wereld, de doeltreffendheid van de PMPE-strategie aantonen.

Vervolgens, de onderzoekers onderzochten of de PMPE-strategie kan worden toegepast op de productie van andere doelchemicaliën dan muconzuur. Als resultaat, ze verhoogden met succes de opbrengsten van het essentiële aminozuur en de aromatische verbinding fenylalanine, en 1, 2- propaandiol, dat wordt gebruikt als additief in medicijnen en voedingsproducten. Deze resultaten hebben aangetoond dat PMPE een veelzijdige techniek is die kan worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan verbindingen efficiënt te produceren.