Den ekologiska bioproduktionen av xylitol och cellulosa nanofibrer med hjälp av modifierade jästceller, från material som producerats av pappersindustrin har tagits fram av ett japanskt forskarlag. Denna upptäckt skulle kunna bidra till utvecklingen av ett grönare och mer hållbart samhälle. Resultaten publicerades den 4 mars, i Grön kemi .

Forskningen utfördes av en grupp ledd av biträdande professor Gregory Guirimand-Tanaka, Professor Tomohisa Hasunuma och professor Akihiko Kondo från Graduate School of Science, Technology and Innovation och Engineering Biology Research Center vid Kobe University.

I sin strävan att utveckla innovativa processer för att uppnå ett hållbart samhälle, Professor Kondo har fokuserat på en mängd olika bioföreningar som xylitol, en mycket värdefull råvarukemikalie, som används flitigt inom både livsmedels- och läkemedelsindustrin (t.ex. som sockerersättning i tuggummi).

Professor Kondos grupp är också intresserad av innovativa nanomaterial som cellulosa nanofibrer, som har en enorm ekonomisk potential på grund av egenskaperna hos nanocellulosa (mekaniska egenskaper, filmbildande egenskaper, viskositet etc.), och betydande tillämpningar inom livsmedel, hygien, absorberande, medicinsk, kosmetiska och farmaceutiska produkter.

Den globala efterfrågan på både xylitol och cellulosa nanofibrer växer ständigt, och kostnaden och miljöpåverkan från deras industriella produktion är fortfarande mycket hög.

Den industriella produktionen av xylitol och cellulosa nanofibrer från renad D-xylos respektive cellulosafibrer innebär kostsamma och förorenande processer. För att lösa dessa frågor och förverkliga ett hållbart och miljömedvetet samhälle, vi måste använda förnybar biomassa som papperspasta (Kraftmassa) och utveckla innovativa processer.

Bioteknologisk produktion av xylitol och cellulosa nanofibrer med hjälp av kraftmassa, kommer från pappersindustrin, kan vara ett fördelaktigt alternativ, eftersom detta material är rikligt, innehåller rimliga mängder (17%) av D-xylos, och kan omvandlas till mycket värdefulla råvaruföreningar och nanomaterial.

För att frigöra D-xylos som finns i kraftmassa, vi behöver vanligtvis tillsätta en stor mängd kommersiella enzymer (CE), som är mycket dyra. Därför, vi bestämde oss för att använda mikroorganismer som modifierad jäst, som kan producera dessa enzymer själv, för att minska mängden CE som initialt krävs. De modifierade jästcellerna som utvecklats bär dessa enzymer direkt på sin egen cellyta, och vi kallar denna strategi "cellytedisplay"-teknik.

I den här studien, xylitol och cellulosa nanofibrer samproducerades från Kraftmassa genom att använda en modifierad stam av bagerijäst (Saccharomyces cerevisiaeYPH499-stam) som uttrycker tre olika enzymer (β-D-glukosidas (BGL), xylosidas (XYL) och xylanas (XYN)) visas samtidigt på cellytan.

Genom att använda denna strategi, vi kunde inte bara producera xylitol och cellulosa nanofibrer, men också för att avsevärt öka renheten hos själva cellulosan och kostnadseffektiviteten för processen genom att minska mängden CE som initialt krävs (figur 1).

Sist men inte minst, vårt team kunde framgångsrikt utföra dessa experiment i större volymer genom att använda 2-liters burkfermentorer, vilket gör det möjligt för oss att ytterligare skala upp bioraffinaderi industriell produktion av xylitol och cellulosa nanofibrer från kraftmassa (figur 2).

Baserat på dessa fynd, teamet kommer att fortsätta att leta efter sätt att öka den hållbara bioproduktionen av xylitol och cellulosa nanofibrer genom genteknik av jästceller.