Het stimuleren van de productie van biobrandstoffen zoals ethanol zou een belangrijke stap kunnen zijn in het terugdringen van het wereldwijde verbruik van fossiele brandstoffen. Echter, ethanolproductie wordt grotendeels beperkt door de afhankelijkheid van maïs, die niet in voldoende grote hoeveelheden wordt verbouwd om een ​​aanzienlijk deel van de Amerikaanse brandstofbehoefte te dekken.

Om de potentiële impact van biobrandstoffen te vergroten, een team van MIT-ingenieurs heeft nu een manier gevonden om het gebruik van een breder scala aan non-foodgrondstoffen voor de productie van dergelijke brandstoffen uit te breiden. Momenteel, grondstoffen zoals stro en houtachtige planten zijn moeilijk te gebruiken voor de productie van biobrandstoffen omdat ze eerst moeten worden afgebroken tot vergistbare suikers, een proces waarbij tal van bijproducten vrijkomen die giftig zijn voor gist, de microben die het meest worden gebruikt om biobrandstoffen te produceren.

De MIT-onderzoekers ontwikkelden een manier om die toxiciteit te omzeilen, het mogelijk maken om die bronnen te gebruiken, die veel talrijker zijn, biobrandstoffen te produceren. Ze toonden ook aan dat deze tolerantie kan worden gemanipuleerd in giststammen die worden gebruikt om andere chemicaliën te vervaardigen, mogelijk maakt het mogelijk om "cellulose" houtachtig plantaardig materiaal te gebruiken als bron voor het maken van biodiesel of bioplastics.

"Wat we echt willen doen, is cellulosegrondstoffen openen voor bijna elk product en profiteren van de enorme overvloed die cellulose biedt, " zegt Felix Lam, een MIT-onderzoeksmedewerker en de hoofdauteur van de nieuwe studie.

Gregory Stephanopoulos, de Willard Henry Dow hoogleraar chemische technologie, en Gerard Fink, de Margaret en Herman Sokol Professor aan het Whitehead Institute of Biomedical Research en de American Cancer Society Professor of Genetics in de afdeling Biologie van het MIT, zijn de senior auteurs van het papier, die vandaag verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .

Tolerantie verhogen

Momenteel, ongeveer 40 procent van de Amerikaanse maïsoogst gaat naar ethanol. Maïs is vooral een voedselgewas dat veel water en kunstmest nodig heeft, dus plantaardig materiaal dat bekend staat als cellulosebiomassa wordt beschouwd als een aantrekkelijk, niet-concurrerende bron voor hernieuwbare brandstoffen en chemicaliën. Deze biomassa, waaronder vele soorten stro, en delen van de maïsplant die meestal ongebruikt blijven, kan oplopen tot meer dan 1 miljard ton materiaal per jaar, volgens een studie van het Amerikaanse ministerie van Energie - genoeg om 30 tot 50 procent van de aardolie die voor transport wordt gebruikt te vervangen.

Echter, twee belangrijke obstakels voor het gebruik van cellulosebiomassa zijn dat cellulose eerst moet worden vrijgemaakt uit de houtachtige lignine, en de cellulose moet dan verder worden afgebroken tot eenvoudige suikers die gist kan gebruiken. De bijzonder agressieve voorbewerking die nodig is, genereert verbindingen die aldehyden worden genoemd, die zeer reactief zijn en gistcellen kunnen doden.

Om dit te overwinnen, het MIT-team bouwde voort op een techniek die ze enkele jaren geleden hadden ontwikkeld om de tolerantie van gistcellen voor een breed scala aan alcoholen te verbeteren, die ook in grote hoeveelheden giftig zijn voor gist. In die studie, ze toonden aan dat door de bioreactor te voorzien van specifieke verbindingen die het membraan van de gist versterken, gist veel langer kon overleven in hoge concentraties ethanol. Met behulp van deze aanpak, ze waren in staat om de traditionele brandstof-ethanolopbrengst van een goed presterende giststam met ongeveer 80 procent te verbeteren.

In hun nieuwe studie de onderzoekers ontwikkelden gist zodat ze het cellulose-bijproduct aldehyden konden omzetten in alcoholen, waardoor ze konden profiteren van de alcoholtolerantiestrategie die ze al hadden ontwikkeld. Ze testten verschillende natuurlijk voorkomende enzymen die deze reactie uitvoeren, van verschillende soorten gist, en identificeerde er een die het beste werkte. Vervolgens, ze gebruikten gerichte evolutie om het verder te verbeteren.

"Dit enzym zet aldehyden om in alcoholen, en we hebben aangetoond dat gist als klasse veel toleranter kan worden gemaakt voor alcoholen dan voor aldehyden, met behulp van de andere methoden die we hebben ontwikkeld, ' zegt Stephanopoulos.

Gisten zijn over het algemeen niet erg efficiënt in het produceren van ethanol uit giftige cellulosehoudende grondstoffen; echter, toen de onderzoekers dit best presterende enzym tot expressie brachten en de reactor verrijkten met de membraanversterkende additieven, de stam heeft zijn productie van cellulose-ethanol meer dan verdrievoudigd, tot niveaus die overeenkomen met traditionele maïs-ethanol.

Overvloedige grondstoffen

De onderzoekers toonden aan dat ze met vijf verschillende soorten cellulosegrondstoffen hoge opbrengsten aan ethanol konden behalen, inclusief switchgrass, tarwestro, en maisstoof (de bladeren, stengels, en kaf achtergelaten nadat de maïs is geoogst).

"Met onze speciaal ontwikkelde soort, je kunt in wezen maximale cellulosefermentatie krijgen van al deze grondstoffen die meestal erg giftig zijn, " zegt Lam. "Het mooie hiervan is dat het niet uitmaakt of je maïsresten misschien een seizoen niet zo geweldig zijn. Je kunt overstappen op energierietjes, of als je geen hoge beschikbaarheid van rietjes hebt, je kunt overschakelen naar een soort vlezig, houtachtig residu."

De onderzoekers ontwikkelden ook hun aldehyde-naar-ethanol-enzym in een giststam die is ontwikkeld om melkzuur te produceren, een voorloper van bioplastics. Zoals het deed met ethanol, deze stam was in staat om dezelfde opbrengst aan melkzuur te produceren uit cellulosematerialen als uit maïs.

Deze demonstratie suggereert dat het haalbaar zou kunnen zijn om aldehydetolerantie te ontwikkelen in giststammen die andere producten voortbrengen, zoals diesel. Biodiesels kunnen mogelijk een grote impact hebben op industrieën zoals het zware vrachtvervoer, Verzending, of luchtvaart, die een emissievrij alternatief zoals elektrificatie missen en enorme hoeveelheden fossiele brandstof vergen.

"Nu hebben we een tolerantiemodule die je op bijna elk soort productietraject kunt aansluiten, Stephanopoulos zegt. "Ons doel is om deze technologie uit te breiden naar andere organismen die beter geschikt zijn voor de productie van deze zware brandstoffen, zoals oliën, diesel, en vliegtuigbrandstof."