Wetenschap
Een schimmel zet cellulose direct om in een nieuwe platformchemische stof
De schimmel Talaromyces verruculosus kan het chemische erythro-isocitroenzuur rechtstreeks uit goedkoop plantenafval produceren, waardoor het interessant wordt voor industrieel gebruik.
Gebruikmakend van de natuurlijke capaciteiten van de niet-genetisch gemodificeerde schimmel heeft een onderzoeksteam uit Jena een methode ontdekt voor de efficiënte omzetting van cellulose in een vorm van isocitroenzuur. De nieuwe productiemethode zou het voorheen complexe en uit meerdere fasen bestaande proces voor het verkrijgen van platformchemicaliën uit cellulose aanzienlijk kunnen vereenvoudigen door slechts één enkel bioproces nodig te hebben.
Dankzij de nieuwe kosteneffectieve methode kan het zelden gebruikte zustermolecuul van het intensief gebruikte citroenzuur een duurzame circulaire economie ten goede komen, mits er markt voor is.
De studie werd gepubliceerd door een onderzoeksteam van het Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology – Hans Knöll Institute (Leibniz-HKI) in het tijdschrift ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
Als natuurlijke stofwisselingsproducten van de meeste levende organismen behoren citroenzuur en isocitroenzuur tot de meest voorkomende zuren in de natuur. Citroenzuur wordt industrieel in grote hoeveelheden geproduceerd met behulp van de schimmel Aspergillus niger. Met een jaarlijkse productie van ongeveer 2,8 miljoen ton wereldwijd is het een van de biotechnologische producten met de grootste volumes.
Het toepassingsgebied is enorm:of het nu gaat om ontkalkingsmiddel, conserveermiddel, verzorgingsproduct of smaakversterker:de veelzijdige natuurlijke chemische stof is een belangrijk en ook goedkoop additief in de industrie, omdat de biotechnologische productie uiterst efficiënt en ongecompliceerd is.
Ook de productie van bioplastics en biobrandstoffen uit citroenzuur is technisch mogelijk. Omdat citroenzuur echter uit suiker wordt geproduceerd en daardoor rechtstreeks concurreert met de voedselproductie, zijn deze toepassingsgebieden tot nu toe economisch noch duurzaam gebleken. In feite verbruikt de productie van citroenzuur momenteel meer dan 1% van de mondiale suikerproductie.
Isocitroenzuur lijkt sterk op citroenzuur, slechts één hydroxylgroep bevindt zich op een ander koolstofatoom. Hierdoor is het molecuul asymmetrisch en zijn er twee verschillende varianten, de zogenaamde diastereomeren, die threo- en erythro-isocitroenzuur worden genoemd. Elk diastereomeer heeft twee spiegelbeeldvarianten, de D- en L-vorm.
Citroenzuur en isocitroenzuur hebben vrijwel identieke eigenschappen en er kan van worden uitgegaan dat de iso-vorm net zo breed toepasbaar zou zijn. De reden waarom dit niet het geval is, is dat er nog geen efficiënt productieproces voor zuiver isocitroenzuur bestaat, waardoor het momenteel alleen beschikbaar is als onderzoeksstof.
Eén kilogram van de stof kost momenteel ongeveer 18.000 euro. Het nieuwe productieproces maakt echter een duurzame en goedkope productie mogelijk uit plantaardig afval en residuen zoals stro, oud papier of houtresten, waardoor het in de toekomst mogelijk zou kunnen zijn om isocitroenzuur nog goedkoper te produceren dan citroenzuur.
Tot nu toe was een complex proces in drie fasen vereist om dergelijke hernieuwbare grondstoffen te gebruiken. Er waren dure enzymen nodig om de cellulose eerst enzymatisch af te breken tot suiker, zodat deze uiteindelijk door de micro-organismen kon worden gebruikt.
Eén schimmel:één proces
Een veelbelovende aanpak is de zogenaamde consolidated bioprocessing (CBP), waarbij verschillende processtappen met behulp van geschikte micro-organismen tot één worden gecombineerd. De ster van het nieuwe biotechnologische proces is de schimmel Talaromyces verruculosus.
In screeningtests ontdekte eerste auteur Ivan Schlembach dat de uit de natuur geïsoleerde wilde soort T. verruculosus lignocellulose rechtstreeks en masse in erythro-isocitroenzuur kan omzetten, en masse en zeer efficiënt in één proces waarbij de schimmel zelf alle enzymen produceert die nodig zijn voor dit.
In experimenten bepaalden de onderzoekers de ideale omstandigheden voor de afbraak van cellulose en de productie van isocitroenzuur, inclusief factoren als stikstofgehalte, pH-waarde, temperatuur en nutriëntenconcentratie. Ook ontwikkelden ze nieuwe methoden om tijdens het fermentatieproces nauwkeurig de activiteit van het enzym cellulase, cruciaal voor de afbraak van cellulose, te meten. Hierdoor is een optimale controle over het productieproces mogelijk.
Miriam Rosenbaum leidt de Bio Pilot Plant aan de Leibniz-HKI en is hoogleraar Synthetische Biotechnologie aan de Friedrich Schiller Universiteit Jena. Ze legt uit:"T. verruculosus heeft het unieke vermogen om lignocellulose met opmerkelijke efficiëntie rechtstreeks om te zetten in erythro-isocitroenzuur.
"Dat gebeurt in een tempo dat vergelijkbaar is met de omzetting van glucose, dat in het laboratorium wordt gebruikt als uitgangsmateriaal voor het fermentatieproces. Met de schimmel hebben we een eenvoudiger en goedkoper proces ontwikkeld."
Product zoekt markt
Isocitroenzuur kan chemisch eenvoudig worden omgezet in itaconzuur, waar nu al veel vraag naar is voor de productie van duurzame kunststoffen en coatings. Als erythro-isocitroenzuur direct verkrijgbaar is, mag er dus geen tekort aan klanten zijn.
Er is echter dezelfde hindernis als voor elke nieuwe stof:aangezien erythro-isocitroenzuur tot nu toe niet in grote hoeveelheden beschikbaar is, moet eerst de markt ervoor worden gevestigd.
Het aanzienlijk goedkopere proces dat nu is ontwikkeld, opent nieuwe mogelijkheden en toepassingen.
Een ander bijzonder kenmerk is het feit dat daarbij alleen erythro-isocitroenzuur ontstaat en geen mengsel van verschillende diastereomeren. Dit maakt het molecuul bijzonder interessant voor speciale toepassingen, bijvoorbeeld in de farmaceutische industrie.
Bij medicijnen is vaak maar één diastereomeer effectief, dus moet het moeizaam worden geïsoleerd uit het mengsel van beide varianten. Erythro-isocitroenzuur kan dienen als een waardevolle chirale bouwsteen voor chemische syntheses.
De specifieke biologische eigenschappen van erythro-isocitroenzuur zijn tot nu toe weinig onderzocht. Er zijn echter veel nuttige eigenschappen aangetoond voor het zustermolecuul threo-isocitroenzuur.
Dit laatste kan een waardevolle toevoeging zijn aan citroenzuur, vooral in de medische, farmaceutische, cosmetische of voedingsindustrie, bijvoorbeeld als chelaatvormer, als antistollingsmiddel in bloedmonsters, als functioneel voedingssupplement, als ingrediënt in cosmetica, als conserveermiddel of als antiverouderingsmiddel in lifestyleproducten.
De bevindingen onderstrepen dat organismen zoals T. verruculosus het duurzame gebruik van bioafval mogelijk kunnen maken en de productie van waardevolle chemicaliën uit hernieuwbare biomassa economisch levensvatbaar kunnen maken.
“De natuur heeft een enorm potentieel om mondiale uitdagingen op het gebied van duurzaamheid aan te pakken. De schimmel T. verruculosus legt de basis voor een goedkope groene technologie, en er zijn ook veel industriële toepassingen voor isocitroenzuur. Het enige wat op dit moment ontbreekt is de openheid van de markt voor het nieuwe proces”, benadrukt Ivan Schlembach.
Het onderzoeksteam werkt nu aan het verder optimaliseren van het proces en het ophelderen van de biochemische reacties die betrokken zijn bij de vorming van isocitroenzuur. Door biochemische parameters te verfijnen hopen de onderzoekers uit Jena bij te dragen aan de transitie naar een duurzame en hulpbronnenefficiënte bio-economie.
In de toekomst willen ze samenwerken met geïnteresseerde industriële partners om erachter te komen of de procedure, die inmiddels gepatenteerd is, ook stand kan houden op de markt.