Лигноцеллюлоза, древесный материал, придающий растительным клеткам их структуру, является самым распространенным сырьем на Земле и долгое время считалась источником возобновляемой энергии. Он содержит в основном ацетат и сахара, глюкозу и ксилозу, которые высвобождаются при разложении.
В статье, опубликованной в Nature Communications, команда описала свою работу, которая предлагает жизнеспособный метод преодоления одного из основных препятствий, препятствующих коммерциализации лигноцеллюлозного биотоплива – токсичности ацетата для ферментирующих микробов, таких как дрожжи.
«Это первый подход, демонстрирующий эффективное и полное использование ксилозы и ацетата для производства биотоплива», – сказал профессор пищевых наук и питания человека Юн-Су Джин. Филиал Carl R. Институт геномной биологии им. Вёзе, Цзинь руководил исследованием вместе с аспирантом Лян Сунь, первым автором статьи.
Их методология полностью использовала ксилозу и ацетат из клеточных стенок проса проса, превращая ацетат из нежелательного побочного продукта в ценный субстрат, который увеличивал эффективность дрожжей при преобразовании сахаров в гидрозолаты.
«Мы выяснили, что можем использовать то, что считалось токсичным, бесполезным веществом, в качестве дополнительного источника углерода с ксилозой для экономичного производства тонких химикатов», таких как лактон триуксусной кислоты или TAL, и витамин А, которые получены из одной и той же молекулы-предшественника. , ацетилкофермент А, сказал Джин.
«TAL – это универсальный платформенный химикат, который в настоящее время получают путем переработки нефти и который используется для производства пластмасс и пищевых ингредиентов», – сказал Сан, в настоящее время аспирант Университета Висконсина, Мэдисон.
В более ранней работе соавтор Су Рин Ким, в то время сотрудник Института энергетических биологических наук, сконструировал штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae для быстрого и эффективного потребления ксилозы. Ким в настоящее время работает преподавателем в Национальном университете Кёнпук, Южная Корея.
В текущем исследовании они использовали просо, собранное в U. я. Energy Farm для создания гидролизатов гемицеллюлозы. Сконструированные дрожжевые клетки использовали для ферментации глюкозы, ксилозы и ацетата в гидросалатах.
Когда глюкоза и ацетат подавались вместе, S. cerevisiae быстро превращает глюкозу в этанол, снижая уровень pH клеточной культуры. Однако потребление ацетата сильно подавлялось, в результате чего культура становилась токсичной для дрожжевых клеток в условиях низкого pH.
Когда ксилоза была снабжена ацетатом, "эти два источника углерода сформировали синергизм, который способствовал эффективному метаболизму обоих соединений", – сказал Сан. «Ксилоза поддерживает рост клеток и обеспечивает достаточную энергию для ассимиляции ацетата. Следовательно, дрожжи могут очень эффективно метаболизировать ацетат в качестве субстрата для производства большого количества TAL."
В то же время уровень pH среды увеличивался по мере метаболизма ацетата, что, в свою очередь, способствовало потреблению ксилозы дрожжами, сказал Сан.
Когда они проанализировали S. cerevisiae с помощью секвенирования РНК, они обнаружили, что ключевые гены, участвующие в поглощении и метаболизме ацетата, значительно усиливаются под действием ксилозы по сравнению с глюкозой, сказал Сан.
Дрожжевые клетки, которые получали как ацетат, так и ксилозу, накапливали большую биомассу, наряду с повышением уровня липидов и эргостерина на 48% и 45% соответственно. Эргостерол – это грибковый гормон, который играет важную роль в адаптации к стрессу во время ферментации.
Совместное использование ацетата и ксилозы также увеличило поставку дрожжей ацетил-КоА, молекулы-предшественника эргостерола и липидов, и обеспечило сокращение метаболизма – превращение ацетата в ацетил-КоА, что на шаг приблизило производство TAL, сказал Сан.
«Совместно используя ксилозу и ацетат в качестве источников углерода, мы смогли значительно улучшить производство TAL – в 14 раз больше, чем сообщалось ранее, с использованием инженерной S. cerevisiae ", – сказал Сун. «Мы использовали эту стратегию для производства витамина А, продемонстрировав его потенциал для сверхпроизводства других ценных биопродуктов, полученных из ацетил-КоА, таких как стероиды и флавоноиды."
Поскольку в процессе полностью использовались источники углерода в лигноцеллюлозной биомассе, Джин и Сан сказали, что его можно легко интегрировать в целлюлозные биоперерабатывающие заводы.
"Речь идет об устойчивости нашего общества", – сказала Сан. "Нам необходимо в полной мере использовать эти неиспользованные ресурсы для построения устойчивого будущего. Мы надеемся, что через 50 или 100 лет мы будем в основном зависеть от этого возобновляемого и обильного сырья для производства энергии и материалов, необходимых для нашей повседневной жизни.
Это наша цель. Но пока мы просто делаем мелочи, чтобы убедиться, что это происходит постепенно."
Другими соавторами исследования были Стефан Лейн, менеджер биофабрики в U. я. Институт устойчивости, энергетики и окружающей среды; докторант Джэ Вон Ли и аспирант Сангдо Юк, оба из университетских. я.; и Цзыцяо Сунь, аспирантка Корнельского университета.
Работа поддержана U.S. Департамент энергетики Центр передовых инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов при U. я.