19.08.2021 - University of Illinois at Urbana-Champaign

Bioprozess zur Umwandlung von Pflanzenmaterial in wertvolle Chemikalien entwickelt

Ein Team von Wissenschaftlern an der University of Illinois Urbana-Champaign entwickelte einen Bioprozess mit Hilfe von gentechnisch veränderter Hefe, der Pflanzenmaterial, das aus Acetat und Xylose besteht, vollständig und effizient in hochwertige Bioprodukte umwandelt.

Lignocellulose, das holzige Material, das den Pflanzenzellen ihre Struktur verleiht, ist der am häufigsten vorkommende Rohstoff auf der Erde und wird seit langem als Quelle erneuerbarer Energie angesehen. Sie enthält hauptsächlich Acetat und die Zucker Glucose und Xylose, die bei der Zersetzung freigesetzt werden.

In einem in Nature Communications veröffentlichten Artikel beschreibt das Team seine Arbeit, die eine praktikable Methode zur Überwindung eines der Haupthindernisse für die Vermarktung von Biokraftstoffen aus Lignozellulose darstellt - die Toxizität von Acetat für fermentierende Mikroben wie Hefe.

"Dies ist der erste Ansatz, der die effiziente und vollständige Nutzung von Xylose und Acetat für die Produktion von Biokraftstoff demonstriert", so Yong-Su Jin, Professor für Lebensmittelwissenschaften und menschliche Ernährung. Jin, der dem Carl R. Woese Institute for Genomic Biology angehört, leitete die Forschung zusammen mit dem damaligen Doktoranden Liang Sun, dem Erstautor der Studie.

Ihre Methodik nutzte die Xylose und das Acetat aus den Zellwänden von Switchgrass vollständig aus und verwandelte das Acetat von einem unerwünschten Nebenprodukt in ein wertvolles Substrat, das die Effizienz der Hefe bei der Umwandlung der Zucker in den Hydrosolaten erhöhte.

"Wir haben herausgefunden, dass wir das, was bisher als giftige, nutzlose Substanz galt, als zusätzliche Kohlenstoffquelle zusammen mit Xylose verwenden können, um auf wirtschaftliche Weise Feinchemikalien zu produzieren", so Jin, wie z. B. Triessigsäurelacton (triacetic acid lactone, TAL) und Vitamin A, die aus demselben Vorläufermolekül, Acetylcoenzym A, gewonnen werden.

TAL ist eine vielseitige Plattformchemikalie, die derzeit durch die Raffination von Erdöl gewonnen und zur Herstellung von Kunststoffen und Lebensmittelzutaten verwendet wird, sagte Sun, die derzeit als Postdoktorandin an der University of Wisconsin, Madison, arbeitet.

In einer früheren Arbeit hatte Co-Autorin Soo Rin Kim, damals Stipendiatin am Energy Biosciences Institute, einen Stamm der Hefe Saccharomyces cerevisiae so verändert, dass er Xylose schnell und effizient verbraucht. Kim ist derzeit Fakultätsmitglied an der Kyungpook National University, Südkorea.

In der aktuellen Studie verwendeten sie Rutenhirse, die auf der Energiefarm der U.I. geerntet wurde, um Hemizellulosehydrolysate herzustellen. Die gentechnisch veränderten Hefezellen wurden zur Fermentierung von Glukose, Xylose und Acetat in den Hydrosalaten verwendet.

Wurden Glukose und Acetat zusammen verabreicht, wandelte S. cerevisiae die Glukose rasch in Ethanol um und senkte den pH-Wert der Zellkultur. Der Acetatverbrauch wurde jedoch stark gehemmt, so dass die Kultur unter niedrigen pH-Bedingungen für die Hefezellen toxisch wurde.

Wenn Xylose zusammen mit Acetat bereitgestellt wurde, "bildeten diese beiden Kohlenstoffquellen Synergien, die einen effizienten Stoffwechsel beider Verbindungen förderten", so Sun. "Xylose unterstützte das Zellwachstum und lieferte ausreichend Energie für die Assimilation von Acetat. Daher konnte die Hefe Acetat als Substrat sehr effizient verstoffwechseln und eine Menge TAL produzieren."

Gleichzeitig stieg der pH-Wert des Mediums mit der Verstoffwechselung des Acetats an, was wiederum den Verbrauch der Xylose durch die Hefe förderte, so Sun.

Als sie die Genexpression von S. cerevisiae durch RNA-Sequenzierung analysierten, fanden sie heraus, dass Schlüsselgene, die an der Acetataufnahme und dem Metabolismus beteiligt sind, durch Xylose im Vergleich zu Glukose dramatisch hochreguliert wurden, so Sun.

Hefezellen, die sowohl mit Acetat als auch mit Xylose gefüttert wurden, akkumulierten eine größere Biomasse und wiesen einen um 48 % bzw. 45 % höheren Gehalt an Lipiden und Ergosterol auf. Ergosterol ist ein Pilzhormon, das eine wichtige Rolle bei der Stressanpassung während der Gärung spielt.

Die gemeinsame Nutzung von Acetat und Xylose erhöhte auch die Versorgung der Hefe mit Acetyl-CoA, einem Vorläufermolekül von Ergosterin und Lipiden, und ermöglichte eine metabolische Abkürzung - die Umwandlung von Acetat in Acetyl-CoA, was die TAL-Produktion einen Schritt näher brachte, so Sun.

"Durch die gemeinsame Nutzung von Xylose und Acetat als Kohlenstoffquellen konnten wir die TAL-Produktion drastisch verbessern - sie war 14-mal höher als die zuvor mit gentechnisch veränderten S. cerevisiae gemeldete Produktion", so Sun. "Wir haben diese Strategie auch für die Produktion von Vitamin A angewandt und damit ihr Potenzial für die Überproduktion anderer hochwertiger Bioprodukte aus Acetyl-CoA, wie Steroide und Flavonoide, demonstriert.

Da das Verfahren die Kohlenstoffquellen in der lignozellulosehaltigen Biomasse umfassend nutzt, kann es laut Jin und Sun nahtlos in zellulosehaltige Bioraffinerien integriert werden.

"Es geht um die Nachhaltigkeit unserer Gesellschaft", sagte Sun. "Wir müssen diese ungenutzten Ressourcen voll ausschöpfen, um eine nachhaltige Zukunft aufzubauen. Wir hoffen, dass wir in 50 oder 100 Jahren hauptsächlich von diesen erneuerbaren und reichlich vorhandenen Rohstoffen abhängig sein werden, um die Energie und die Materialien zu produzieren, die wir für unser tägliches Leben benötigen. Das ist unser Ziel. Aber im Moment tun wir nur kleine Dinge, um sicherzustellen, dass dies allmählich geschieht.

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