20.10.2021 - Iowa State University of Science and Technology

Forscher entwickeln widerstandsfähigere Mikroben zur Verbesserung der Bioproduktion von Kraftstoffen und Chemikalien

Fleißige, produktive Mikroben nutzen Enzyme, um Blätter, Stängel und andere Biomasse aufzuspalten und dann in erneuerbare Brennstoffe und Chemikalien umzuwandeln. Einige dieser Enzyme können jedoch nicht bei den hohen Temperaturen oder dem hohen Säuregehalt arbeiten, die die Betriebskosten für Fermentationsprozesse niedrig halten.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Laura Jarboe von der Iowa State University wird versuchen, dieses Problem zu lösen, indem es rauere, widerstandsfähigere Enzyme identifiziert und Mikroben entwickelt, die sie in der industriellen Fermentation verwenden können. Ihre Arbeit wird durch einen dreijährigen Zuschuss des US-Energieministeriums in Höhe von 969.000 Dollar unterstützt.

"Wir wollen diese Mikroben robuster machen", sagt Jarboe, Cargill-Professor für Chemieingenieurwesen an der Iowa State University. "Um das zu erreichen, müssen wir uns mit dem Problem der Mikroben auseinandersetzen. Wir können nicht einfach sagen: 'Mach es besser.'"

In diesem Fall sind Enzyme, die gekühlt werden müssen oder deren pH-Wert (Säuregehalt/Alkalität) angepasst werden muss, um aktiv zu bleiben, ein kostspieliges Problem. Einige dieser Enzyme sind lebenswichtig für die Fähigkeit der Mikroben, biobasierte Substrate in Produkte umzuwandeln, und andere sind für das Überleben der Organismen unerlässlich.

Gibt es widerstandsfähigere, zähere, robustere Enzyme? Könnten industrielle Mikroben so konstruiert werden, dass sie eher "extremophil" sind und unter den harten Bedingungen in den Fermentern aktiv bleiben?

Jarboe, Robert Jernigan, Charles F. Curtiss Distinguished Professor für Agrar- und Biowissenschaften am Roy J. Carver Department of Biochemistry, Biophysics and Molecular Biology, und Peter St. John, leitender Wissenschaftler im Biosciences Center des National Renewable Energy Laboratory des US-Energieministeriums in Golden, Colorado, arbeiten gemeinsam an der Suche nach Antworten.

Millionen für die Erforschung von Mikroben

Das Office of Biological and Environmental Research des Energieministeriums vergab in diesem Sommer 34 Biotechnologie-Stipendien in Höhe von insgesamt 45,5 Millionen Dollar, darunter auch dieses Stipendium, das die Arbeit von Jarboe, Jernigan und St. John unterstützt. Die Preisträger wurden nach einem wettbewerbsorientierten Peer-Review-Verfahren ausgewählt.

"Biokraftstoffe, die Flugzeuge und Schiffe antreiben können, und Bioprodukte aus nachwachsenden Rohstoffen werden eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung unserer Wirtschaft spielen", sagte Energieministerin Jennifer M. Granholm in einer Erklärung, in der sie die Zuschüsse ankündigte.

Das Forschungsprogramm des Energieministeriums zielt auf zwei Untersuchungsbereiche ab: Erstens die Entwicklung von Mikroben, die bei der Umwandlung von Biomasse und synthetischen Polymeren in Brennstoffe und Produkte helfen. Und zweitens die Entwicklung von Bildgebungstechnologien zur besseren Untersuchung der Pflanzen und Mikroben, die zur Herstellung von Bioprodukten verwendet werden.

Die verschiedenen Projekte "werden uns helfen, Biokraftstoffe und Bioprodukte auf zellulärer Ebene zu verstehen, vorherzusagen und sogar zu entwerfen, damit wir ihr volles Potenzial ausschöpfen können", so Granholm.

Von den Labors zu den Fabriken

Jarboe, Jernigan und St. John haben einen dreiteiligen Plan entwickelt, um Mikroben so umzugestalten, dass sie hitze- und säurebeständige Enzyme produzieren:

  • St. John wird den Aufbau von Computermodellen auf Genomebene für den mikrobiellen Stoffwechsel leiten, einschließlich der chemischen Reaktionen, die Zucker in Energie umwandeln. Mit Hilfe dieser Modelle können die Forscher vorhersagen, wie höhere Temperaturen oder Veränderungen des Säuregehalts die Reaktionen verändern. "Mit unserer Arbeit werden wir versuchen herauszufinden, welche Enzyme auf diese Belastungen reagieren und den Stoffwechsel beeinträchtigen, die dann gezielt ersetzt werden können", sagte er.
  • Jernigan wird die Suche nach Enzymdaten leiten, um widerstandsfähige Ersatzstoffe für die Enzyme zu finden, die bei hohen Temperaturen oder Säure versagen. "Ich habe mein ganzes Leben lang Proteine studiert, und wir haben unglaublich viele Daten - mehrere hundert Millionen Proteinsequenzen - und dies ist eine Gelegenheit, diese Informationen praktisch zu nutzen", sagte er.
  • Jarboe wird sich um die Entwicklung von Mikroben bemühen, die die robusten Ersatzenzyme produzieren können. Außerdem werden Experimente zur Bewertung und Charakterisierung der Mikroben, Enzyme und der daraus resultierenden chemischen Reaktionen durchgeführt. "Vielleicht spielt es keine Rolle, dass einige der Prozesse auf hochempfindliche Enzyme angewiesen sind", sagte sie. "Vielleicht gibt es andere Enzyme, die genau die gleiche Arbeit leisten können."

Wenn das der Fall ist, könnten diese Ersatzenzyme eines Tages einen Unterschied bei der Herstellung von biologisch erneuerbaren Kraftstoffen, Chemikalien und anderen Produkten bewirken.

"Wenn wir einen systematischen Ansatz für die Entwicklung von Thermotoleranz und pH-Toleranz bei Mikroben finden", so St. John, "werden neu entwickelte Stämme hoffentlich schneller und kostengünstiger aus dem Labor in die Industrie gelangen können."

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