При использовании микробов для производства целевых химикатов возникают проблемы; если микробы используют источники углерода (сахара) для собственного размножения, целевое химическое производство снижается. С другой стороны, подавление этого распространения приводит к ослаблению микробов, что приводит к общему снижению производства. Чтобы попытаться решить эту проблему, исследовательская группа разработала новую стратегию под названием Parallel Metabolic Pathway Engineering (PMPE), позволяющую им контролировать как целевое химическое производство, так и распространение микробов.
Они использовали этот подход, чтобы изменить E. coli для успешного увеличения производства муконовой кислоты-предшественника нейлона.
Если станет возможным использовать выбранный источник углерода исключительно для целевого химического производства и использовать оставшиеся источники для размножения микробов, это приведет к большим успехам в производстве ароматических соединений и сырья для медицинских и химических продуктов.
Результаты этого исследования были впервые опубликованы в Nature Communications 14 января.
Основные моменты
Разработка стратегии PMPE, позволяющей независимо контролировать использование сахаров для размножения микробов и целевого химического производства. Используя этот подход, исследовательская группа успешно увеличила выход муконовой кислоты (целевого химического вещества).
PMPE может применяться для производства различного сырья, такого как ароматические соединения и дикарбоновая кислота, используемого в химических продуктах и лекарствах.
Ожидается повышение эффективности использования сырья, такого как биомасса, содержащего несколько сахаров.
Предпосылки исследования
Мы полагаемся на ископаемое топливо как на сырье для производства различных продуктов. Однако производство нефтесодержащих соединений увеличивает количество атмосферного CO2, вызывая множество экологических проблем, таких как глобальное потепление.
Следовательно, существует необходимость в разработке технологий биопереработки (* 1), которые включают использование микробов для производства химических соединений из природных богатых возобновляемых ресурсов, таких как деревья и растительный материал. Преимущество продуктов, полученных из биомассы, состоит в том, что они являются углеродно-нейтральными (* 2); они не увеличивают количество CO2 в атмосфере. Есть надежда, что использование биомассы для производства различных полезных соединений может сформировать основу для общества с низким уровнем выбросов углерода, уменьшая количество атмосферного CO2.
Муконовая кислота – это полезное химическое вещество, которое легко превращается в адипиновую кислоту, ингредиент при производстве нейлона.
Он также используется в качестве сырья при производстве различных медицинских и химических продуктов. Однако в настоящее время его химически синтезируют из нефтяных ресурсов.
Есть надежда, что метод ферментации может быть разработан с использованием микробов и возобновляемых растительных ресурсов с более мягкими условиями реакции и меньшим количеством побочных продуктов.
Однако существуют проблемы с использованием микробов для производства целевых химикатов из биомассы. Во многих случаях, хотя микробы используют биомассу, они размножаются сами, вместо того, чтобы производить целевое химическое вещество. Однако изменение метаболизма для предотвращения роста микробов приводит к их ослаблению, а это означает, что целевые химические вещества не могут быть синтезированы.
Баланс между самораспространением микробов и целевым химическим производством – большая проблема.
Чтобы решить эту дилемму, исследовательская группа разработала новую технику под названием Parallel Metabolic Pathway Engineering (PMPE), в которой они разделили использование сахара между размножением микробов и целевым химическим производством, что позволило им контролировать каждый процесс независимо.
Содержание исследования
Лигноцеллюлозная биомасса, которая не конкурирует с мировыми продуктами питания, состоит из сахаров глюкозы и ксилозы.
Исследовательская группа разработала метаболическую стратегию, которая включала изменение E. coli, чтобы использовать глюкозу для целевого химического производства и ксилозу для размножения микробов.
У обычных микробов глюкоза и ксилоза используют один и тот же метаболический путь, и оба они используются для роста микробов и целевого химического производства. Это уменьшает количество синтезируемого целевого химического вещества, потому что микробы поглощают сахара для производства и поддержания элементов и энергии, которые им необходимы для жизни.
Чтобы смягчить эту проблему, исследовательская группа разработала новую стратегию под названием PMPE. Разделение метаболического пути микробов позволяет использовать каждый сахар независимо, при этом вся глюкоза используется для целевого химического производства, а вся ксилоза используется для размножения и поддержания микробов.
Это позволило получить больший выход целевого химического вещества, поскольку глюкоза не использовалась для роста микробов.
Эта исследовательская группа представила метаболический путь модифицированного E. coli для синтеза муконовой кислоты. Модифицированный E. coli утилизирует глюкозу и ксилозу, что приводит к выработке целевого химического вещества. Исследователям удалось произвести 4.26 г / л муконовой кислоты с выходом 0.31 г / г глюкозы.
Это считается самой высокой урожайностью в мире, что доказывает эффективность стратегии PMPE.
Впоследствии исследователи исследовали, можно ли применить стратегию PMPE к производству целевых химических веществ, отличных от муконовой кислоты. В результате они успешно увеличили выход незаменимой аминокислоты и ароматического соединения фенилаланина, а также 1,2-пропандиола, который используется в качестве добавки в лекарствах и пищевых продуктах. Эти результаты показали, что PMPE – это универсальный метод, который можно использовать для эффективного производства различных соединений.
Дальнейшие разработки
Ожидается, что метод PMPE, разработанный этой исследовательской группой, может быть применен для увеличения производства широкого спектра сырьевых материалов, таких как ароматические соединения и дикарбоновая кислота, используемых в медицинских и химических продуктах.
Кроме того, эта стратегия изменения метаболизма бактерий позволит более эффективно использовать биомассу, содержащую несколько сахаров.
Примечания
* 1?Технологии биопереработки Это технологии для производства биотоплива, биопластов, лекарственных ингредиентов и т. Д. использование возобновляемых ресурсов биомассы.
* 2?Углеродно-нейтральный подход. Концепция поддержания постоянного количества атмосферного CO2 за счет компенсации выбросов углерода за счет удаления углерода или за счет полного исключения выбросов углерода.
Использование биомассы вместо ископаемого топлива является примером углеродно-нейтрального процесса.