Een speciaal lichtafhankelijk enzym, die ongeveer drie jaar geleden voor het eerst werd ontdekt, is het middelpunt van een nieuwe wetenschappelijke ontdekking die een hoogrenderende productie van drop-in biobrandstoffen uit biomassa mogelijk maakt.

In een studie die nu is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , ingenieurs van Aarhus University en Massachusetts Institute of Technology hebben bewezen, dat de oorspronkelijke aanname van het enzymatische proces bij deze omzetting van biomassa naar biobrandstof feitelijk onjuist is.

De bevindingen hebben de onderzoekers in staat gesteld om met succes groene brandstoffen te biosynthetiseren op bijna industrieel relevante niveaus van 1,47 gram per liter uit glucose.

Het lichtafhankelijke enzym, die afkomstig is van microalgen, heeft de bijzondere eigenschap dat het vetzuren kan decarboxyleren tot alkanen (waardoor cellulosebiomassa wordt omgezet in drop-in biobrandstoffen) met blauw licht als enige energiebron.

De onderzoekers brengen het enzym kunstmatig in de cellen van de olieachtige gist Yarrowia Lipolytica in, waardoor het metabolisme wordt gemanipuleerd. De gist synthetiseert glucose, afkomstig uit biomassa, in lipiden (met name de moleculen vrije vetzuren en vetacyl-CoAs) die vervolgens door het enzym in alkanen wordt omgezet in een metabolische reactie die vetzuurfotodecarboxylase wordt genoemd, kortweg FAP.

Maar sinds de ontdekking van het enzym, er is aangenomen, dat vrije vetzuren de voorkeursreactant van het enzym zijn in het FAP-proces; dat een overvloed aan vrije vetzuren zou resulteren in een hogere productie van biobrandstoffen.

Deze veronderstelling is onjuist, echter.

"In onze studie we hebben bewezen dat vetacyl-CoA - en niet vrij vetzuur - de voorkeursreactant is voor het lichtafhankelijke enzym. Deze bevinding is met succes gebruikt in onze studie om 89 procent van het vetacyl-CoA te metaboliseren tot alkanen, het bereiken van titers van 1,47 g/l uit glucose, " zegt Bekir Engin Eser, een assistent-professor aan de universiteit van Aarhus.

De overheersende productie van drop-in brandstoffen op basis van oleochemicaliën vindt tegenwoordig plaats door het omzetten van 'conventionele' oleochemicaliën zoals plantaardige oliën, gebruikte bakolie, talg, en andere lipiden tot koolwaterstoffen (voornamelijk alkanen) met behulp van energie-intensieve chemische behandelingsmethoden.

Echter, het inkopen van grote hoeveelheden min of meer duurzame lipidegrondstoffen tegen voldoende lage kosten om te resulteren in winstgevende drop-in biobrandstofproductie blijft een uitdaging die de uitbreiding van dit productieplatform ernstig beperkt. En bovendien, deze productie concurreert met de voedselvoorziening.

Biosynthese is een goedkope en duurzame oplossing, waar de productie in plaats daarvan gebaseerd is op de omzetting van celluloseachtige biomassa - de meest overvloedige hernieuwbare natuurlijke biologische hulpbron die op aarde beschikbaar is.

Biologische synthese van alkanen uit vetzuren is geen natuurlijke, voorkeur metabolische route voor de gist echter, aangezien alkanen giftig zijn voor zijn cellen. Daarom, onderzoekers gebruiken hiervoor speciale enzymen en coderen de overeenkomstige genen in de cellen van de gist.

De nieuwe ontdekking is een mogelijke doorbraak in de biosynthese van drop-in brandstoffen, aangezien de onderzoekers - voor de eerste keer dat ze dit proces gebruiken - de nieuwe kennis hebben gebruikt om groene brandstoffen te synthetiseren op een niveau dat relevant is voor toekomstige industriële productie:

"Eerdere studies op het gebied van metabolische engineering waren gericht op het maximaliseren van de concentratie van vrije vetzuren in de cellen die worden ontwikkeld. Maar nu, met deze ontdekking we weten dat het vetacyl-CoA is dat gemaximaliseerd moet worden. Dit is belangrijk nieuws voor toepassingen in de synthetische biologie, en we kunnen nu beginnen met het maximaliseren van de flux van het vettige acyl-coA in deze gemanipuleerde metabolische route om in de toekomst nog hogere titers te bereiken, ", zegt universitair hoofddocent Zheng Guo van de universiteit van Aarhus.