De grote mondiale uitdagingen van onze tijd, inclusief klimaatverandering, energiezekerheid en schaarste aan natuurlijke hulpbronnen, een transitie te bevorderen van de lineaire fossiele economie naar de duurzame biogebaseerde circulaire economie. Om deze stap te zetten, is de verdere ontwikkeling van opkomende technologieën voor de productie van hernieuwbare brandstoffen en chemicaliën nodig.

Fotosynthetische micro-organismen, zoals cyanobacteriën en algen, laten een groot potentieel zien om aan onze vraag naar hernieuwbare chemicaliën te voldoen en de wereldwijde afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Deze micro-organismen hebben het vermogen om zonne-energie te gebruiken bij het omzetten van CO ₂ in biomassa en een verscheidenheid aan verschillende energierijke organische verbindingen. Cyanobacteriën zijn ook in staat om nieuwe synthetische productieroutes vast te houden waardoor ze kunnen functioneren als levende celfabrieken voor de productie van gerichte chemicaliën en brandstoffen.

Ethyleen is een van de belangrijkste organische grondstoffen met een jaarlijkse wereldwijde vraag van meer dan 150 miljoen ton. Het is de belangrijkste bouwsteen bij de productie van kunststoffen, vezels en andere organische materialen.

"Bij ons onderzoek we gebruikten de genetisch gemanipuleerde cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 dat het ethyleenvormende enzym (EFE) tot expressie brengt dat is verkregen van het plantenpathogeen, Pseudomonas syringae. Door de aanwezigheid van EFE in cyanobacteriële cellen kunnen ze ethyleen produceren met behulp van zonne-energie en CO ₂ uit de lucht, ", zegt universitair hoofddocent Allahverdiyeva-Rinne.

Ethyleen heeft een hoge energiedichtheid waardoor het een aantrekkelijke brandstofbron is. Momenteel, etheen wordt geproduceerd via stoomkraken van fossiele koolwaterstofgrondstoffen, wat leidt tot een enorme uitstoot van CO ₂ de omgeving in. Daarom, het is belangrijk om groene benaderingen te ontwikkelen voor het synthetiseren van ethyleen.

"Hoewel er veelbelovende resultaten zijn gerapporteerd over ethyleenproducerende recombinante cyanobacteriën, de algehele efficiëntie van de beschikbare fotoproductiesystemen is nog steeds erg laag voor industriële toepassingen. De ethyleenproductiviteit van kunstmatige cyanobacteriën is de meest kritische variabele voor het verlagen van de kosten en het verbeteren van de efficiëntie, ", zegt postdoctoraal onderzoeker Sindhujaa Vajravel.

Echter, cyanobacteriën hebben verschillende beperkingen voor een efficiënte productie, omdat ze voornamelijk biomassa accumuleren, niet de gewenste producten.

"Ze beschikken over een gigantische fotosynthetische antenne voor het oogsten van licht die leidt tot zelfschaduw en beperkte lichtverdeling in suspensieculturen, wat de productiviteit verlaagt. De grootste beperking is dat de productieperiode van de cellen kort is, maar een paar dagen, " legt Allahverdiyeva-Rinne uit.

Om deze twee problemen op te lossen, onderzoekers sloten ethyleenproducerende cyanobacteriële cellen in een dunne laag alginaatpolymeermatrix. Deze aanpak beperkt de celgroei sterk, waardoor een efficiënte stroom van fotosynthetische metabolieten voor de biosynthese van ethyleen wordt ingeschakeld. Het verbetert ook het lichtgebruik bij weinig licht en bevordert de celfitness sterk. Als resultaat, de kunstmatige biofilms bereikten een duurzame fotoproductie van ethyleen gedurende maximaal 40 dagen met een licht-naar-ethyleen conversie-efficiëntie die 3,5 keer hoger is dan in conventionele suspensieculturen.

Deze bevindingen openen nieuwe mogelijkheden voor de verdere ontwikkeling van efficiënte solid-state fotosynthetische celfabrieken voor de productie van ethyleen en het opschalen van het proces naar industrieel niveau.