Bioprocessing om plantaardig materiaal om te zetten in waardevolle chemicaliën – ScienceDaily

Lignocellulose, de houtachtige stof die plantencellen hun structuur geeft, is de meest voorkomende grondstof op aarde en wordt al lang beschouwd als een bron van hernieuwbare energie. Het bevat voornamelijk acetaat en de suikers glucose en xylose, die allemaal vrijkomen bij de afbraak.

In een onderzoekspaper gepubliceerd in Nature Communications beschrijft het team hun werk, dat een haalbare manier biedt om een ​​van de belangrijkste obstakels voor de commercialisering van lignocellulose-biobrandstoffen te overwinnen: 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 biobrandstoffen aan te tonen”, zegt Yong Soo-Jin, hoogleraar voedingswetenschappen en menselijke voeding. Als verbonden aan het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, leidde Jin het onderzoek met de toen afgestudeerde student Liang Sun, de eerste auteur van het artikel.

Hun methodologie maakte volledig gebruik van xylose en acetaat van celwanden van switchgrass, waarbij acetaat van een ongewenst bijproduct werd omgezet in een waardevol substraat dat de efficiëntie van gist verbeterde bij het omzetten van suikers in waterige materialen.

“We ontdekten dat we wat als een giftige en nutteloze stof werd beschouwd, als een extra koolstofbron met xylose konden gebruiken om op economische wijze fijne chemicaliën te produceren”, zoals triazijnzuurlacton of TAL en vitamine A, die zijn afgeleid van hetzelfde precursormolecuul, acetyl-co-enzym A, zei Jane.

Sun, die momenteel een postdoctoraal student is aan de Universiteit van Wisconsin, Madison, zei dat TAL een veelzijdige chemische stof is die momenteel wordt verkregen via aardolieraffinage en wordt gebruikt voor de productie van kunststoffen en voedselingrediënten.

In eerder werk ontwierp co-auteur Soo Rin Kim, toen een fellow bij het Institute of Energy Biosciences, een giststam. gist gist Om xylose snel en efficiënt te consumeren. Kim is momenteel een faculteitslid aan de Kyungpook National University, Zuid-Korea.

In de huidige studie gebruikten ze het switchgrass-kruid dat is geoogst op de U. of I. Energy Farm om hemicellulosehydrolysaten te maken. Gemanipuleerde gistcellen werden gebruikt om glucose, xylose en acetaat in opgeloste vloeistoffen te fermenteren.

Wanneer glucose en acetaat samen worden geleverd, S. cerevisiae Het zet glucose snel om in ethanol, wat de pH-waarde in de celcultuur verlaagt. De acetaatconsumptie werd echter ernstig geremd, waardoor de kweek onder lage pH-omstandigheden toxisch werd voor gistcellen.

Toen xylose werd aangevuld met acetaat, “vormden deze twee koolstofbronnen een synergie die het efficiënte metabolisme van beide verbindingen bevorderde”, zei Sun. “Xylose ondersteunt de celgroei en levert voldoende energie voor de opname van acetaat. Daarom kan gist acetaat als substraat zeer efficiënt metaboliseren om veel TAL te produceren.”

Tegelijkertijd nam de pH-waarde van de media toe met het acetaatmetabolisme, wat op zijn beurt de gistconsumptie van xylose verhoogde.

toen ze analyseerden S. cerevisiae’s Genexpressie door RNA-sequencing, zei Sun, ontdekten dat de belangrijkste genen die betrokken zijn bij de opname en het metabolisme van acetaat significant werden gereguleerd door xylose in vergelijking met glucose.

Gistcellen die zowel acetaat als xylose kregen, verzamelden een grotere biomassa, samen met een toename van respectievelijk 48% en 45% in lipide- en ergosterolniveaus. Ergosterol is een aangeboren hormoon dat een belangrijke rol speelt bij de aanpassing aan stress tijdens de fermentatie.

Het gecombineerde gebruik van acetaat en xylose verhoogde ook de toevoer van acetyl CoA door gist, een voorlopermolecuul van ergosterol en lipiden, en zorgde voor een metabolische snelkoppeling – de omzetting van acetaat in acetyl CoA, waardoor de TAL-productie een stap dichterbij kwam, zei Sun.

“Door xylose en acetaat samen te gebruiken als koolstofbronnen, waren we in staat om de TAL-productie aanzienlijk te verbeteren – 14 keer meer productie dan eerder gemeld met behulp van S. cerevisiaezei zon. We hebben deze strategie ook gebruikt voor de productie van vitamine A, wat aantoont dat het in staat is om andere hoogwaardige, van acetyl-CoA afgeleide bioproducten, zoals steroïden en flavonoïden, te overproduceren. “

Omdat het proces volledig gebruik maakte van koolstofbronnen in lignocellulosebiomassa, zeiden Jin en Sun dat het naadloos zou kunnen worden opgenomen in cellulosebioraffinaderijen.

“Het gaat over de duurzaamheid van onze samenleving,” zei Son. “We moeten deze onbenutte hulpbronnen ten volle benutten om een ​​duurzame toekomst op te bouwen. We hopen dat we over 50 of 100 jaar voornamelijk zullen vertrouwen op deze overvloedige en hernieuwbare grondstoffen om de energie en materialen te produceren die we nodig hebben voor ons dagelijks leven. Dit is ons doel. Maar op dit moment doen we gewoon kleine dingen om ervoor te zorgen dat dat geleidelijk gebeurt.”

Andere co-auteurs van de studie zijn Stephan Lin, directeur van de Bio-Foundries van het Amerikaanse Instituut voor Duurzaamheid, Energie en Milieu. Postdoctoraal student Jae-Won Lee en promovendus Sangdo Yok, beiden uit de Verenigde Staten; en Ziqiao Sun, een afgestudeerde student aan de Cornell University.

Het werk werd ondersteund door het Center for Advanced Bioenergy and Bioproduct Innovation van het Amerikaanse ministerie van Energie in de VS bij I.