Een team van wetenschappers aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign ontwikkelde een bioproces met behulp van kunstmatige gist die plantaardig materiaal bestaande uit acetaat en xylose volledig en efficiënt omzet in hoogwaardige bioproducten.

lignocellulose, het houtachtige materiaal dat plantencellen hun structuur geeft, is de meest voorkomende grondstof op aarde en wordt al lang gezien als een bron van hernieuwbare energie. Het bevat voornamelijk acetaat en de suikers glucose en xylose, die allemaal vrijkomen tijdens de ontbinding.

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het team beschreef zijn werk, die een levensvatbare methode biedt voor het overwinnen van een van de belangrijkste hindernissen die de commercialisering van lignocellulose-biobrandstoffen belemmeren - de toxiciteit van acetaat voor fermenterende microben zoals gist.

"Dit is de eerste benadering om het efficiënte en volledige gebruik van xylose en acetaat voor de productie van biobrandstof aan te tonen, " zei professor voedingswetenschap en menselijke voeding Yong-Su Jin. Een filiaal van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, Jin leidde het onderzoek met de toen afgestudeerde student Liang Sun, de eerste auteur van het artikel.

Hun methodologie maakte volledig gebruik van de xylose en acetaat van de celwanden van switchgrass, het transformeren van het acetaat van een ongewenst bijproduct in een waardevol substraat dat de efficiëntie van de gist verhoogde bij het omzetten van de suikers in de hydrosolaten.

"We kwamen erachter dat we iets kunnen gebruiken dat als giftig wordt beschouwd, nutteloze stof als aanvullende koolstofbron met xylose om op economische wijze fijnchemicaliën te produceren" zoals triazijnzuurlacton, of TAL, en vitamine A, die zijn afgeleid van hetzelfde voorlopermolecuul, acetyl co-enzym A, zei Jin.

TAL is een veelzijdige platformchemicalie die momenteel wordt verkregen door aardolie te raffineren en wordt gebruikt voor de productie van kunststoffen en voedselingrediënten, zei zon, momenteel een postdoctoraal student aan de Universiteit van Wisconsin, Madison.

In eerder werk, co-auteur Soo Rin Kim, toen een fellow van het Energy Biosciences Institute, ontwikkelde een stam van de gist Saccharomyces cerevisiae om xylose snel en efficiënt te consumeren. Kim is momenteel een faculteitslid aan de Kyungpook National University, Zuid-Korea.

In de huidige studie, ze gebruikten switchgrass geoogst op de U. of I. Energy Farm om hemicellulosehydrolysaten te maken. De gemanipuleerde gistcellen werden gebruikt om de glucose te fermenteren, xylose en acetaat in de hydrosalaten.

Wanneer glucose en acetaat samen werden verstrekt, S. cerevisiae zette de glucose snel om in ethanol, het verlagen van de pH-waarde van de celcultuur. Echter, acetaatconsumptie werd sterk geremd, waardoor de kweek onder lage pH-omstandigheden toxisch wordt voor de gistcellen.

Toen xylose werd voorzien van acetaat, "deze twee koolstofbronnen vormden synergieën die een efficiënt metabolisme van beide verbindingen bevorderden, " zei Sun. "Xylose ondersteunde de celgroei en leverde voldoende energie voor de assimilatie van acetaat. Daarom, de gist zou acetaat als substraat zeer efficiënt kunnen metaboliseren om veel TAL te produceren."

Tegelijkertijd, de pH-waarde van de media nam toe naarmate het acetaat werd gemetaboliseerd, wat op zijn beurt de consumptie van xylose door de gist bevorderde, zei zon.

Toen ze de genexpressie van S. cerevisiae analyseerden door middel van RNA-sequencing, ze ontdekten dat de belangrijkste genen die betrokken zijn bij de opname en het metabolisme van acetaat drastisch werden opgereguleerd door xylose in vergelijking met glucose, zei zon.

Gistcellen die zowel acetaat als xylose kregen, accumuleerden meer biomassa, samen met 48% en 45% verhogingen van hun niveaus van lipiden en ergosterol, respectievelijk. Ergosterol is een schimmelhormoon dat een belangrijke rol speelt bij de aanpassing aan stress tijdens de fermentatie.

Gelijktijdig gebruik van acetaat en xylose verhoogde ook de toevoer van acetyl-CoA door de gist, een voorlopermolecuul van ergosterol en lipiden, en zorgde voor een metabole snelkoppeling - het omzetten van het acetaat in acetyl-CoA, TAL-productie een stap dichterbij brengen, zei zon.

"Door xylose en acetaat samen te gebruiken als koolstofbronnen, we waren in staat om de TAL-productie drastisch te verbeteren - 14 keer meer productie dan eerder gemeld met behulp van gemanipuleerde S. cerevisiae, " zei Sun. "We gebruikten deze strategie ook voor de productie van vitamine A, het aantonen van het potentieel voor overproductie van andere hoogwaardige bioproducten afgeleid van acetyl-CoA, zoals steroïden en flavonoïden."

Omdat het proces de koolstofbronnen in de lignocellulosische biomassa grondig gebruikte, Jin en Sun zeiden dat het naadloos kan worden geïntegreerd in cellulose-bioraffinaderijen.

“Het gaat om de duurzaamheid van onze samenleving, " zei Sun. "We moeten deze onaangeboorde hulpbronnen volledig benutten om een ​​duurzame toekomst op te bouwen. We hopen dat over 50 of 100 jaar, we zullen voornamelijk afhankelijk zijn van deze hernieuwbare en overvloedige grondstoffen om de energie en de materialen te produceren die we nodig hebben voor ons dagelijks leven. Dat is ons doel. Maar voor nu, we doen slechts kleine dingen om ervoor te zorgen dat dit geleidelijk gebeurt."