En mer miljövänlig och hållbar metod för att framställa den användbara kemikalien 1, 2, 4-butantriol har upptäckts. Kobe University-teamet var först i världen att använda en metod som involverade direkt jäsning av xylos i rishalm med hjälp av en konstruerad jäststam för att producera 1, 2, 4-butantriol. Under genomförandet av denna forskning, teamet lyckades övervinna två flaskhalsar för att maximera produktionen.

Forskningen utfördes av den akademiska forskaren Takahiro Bamba och professor Akihiko Kondo (från Graduate School of Science, Teknik och innovation), och professor Tomohisa Hasunuma (av Engineering Biology Research Center).

1, 2, Användning av 4-butantriol och nuvarande produktionsmetoder:

Råvarukemikalien 1, 2, 4-butantriol har en mängd olika praktiska användningsområden inom olika områden. Till exempel, det kan användas vid framställning av lösningsmedel och för att syntetisera olika farmaceutiska produkter – såsom antivirala och kolesterolsänkande läkemedel, bland andra.

Nuvarande metoder för att framställa 1, 2, 4-butantriol använder råvaror som härrör från olja och resulterar i biprodukter som är skadliga för miljön. Det vanligaste sättet att tillverka kemikalien är att använda natriumborhydrid (NaBH ₄ ) för att kemiskt reducera äppelsyra till 1, 2, 4-butantriol. Processen genererar emellertid en stor mängd boratsalter. Att kassera dessa salter orsakar föroreningar. Kromit och rubidium kan också användas som katalysatorer för 1, 2, 4-butantriol produktion, dessa metoder kräver dock hög temperatur och högt tryck, och även resultera i giftiga biprodukter.

Att härleda xylos (det näst vanligaste naturliga sockret) från lignocellulosahaltig biomassa (torr växtmaterial) och använda den för att producera kemikalier erbjuder flera fördelar eftersom det är en förnybar resurs som orsakar mycket mindre miljöföroreningar. Det ger ett hållbart alternativ till petroleumbaserad produktion.

Metodik

Som visas i figur 1, 1, 2, 4-butantriol produceras av mikrober genom en reaktionsprocess i 5 steg i cellerna.

Men i steg 1, 3 och 4 i reaktionen, det fanns inga enzymer för att tillhandahålla en katalysator i jästen. I den här studien, rishalmhydrolysat användes för att producera xylos. Jästen som användes var genetiskt modifierad med de enzymer som krävs för att framgångsrikt producera ett effektivt utbyte på 1, 2, 4-butantriol.

I den första framgångsrika rättegången, endast 0,02 g/l av 1, 2, 4-butantriol producerades. Genom att undersöka dessa resultat, det blev uppenbart att det inte fanns tillräckliga katalytiska aktiviteter för steg 3 och steg 4 inuti jästcellerna. Detta innebar att reaktionen bromsades ner i steg 3 och 4. Dessa reaktioner ansågs vara flaskhalsar.

Med närvaron av järnsvavelkluster i strukturen av xylonatdehydrataskatalysatorn i steg 3, det blev tydligt att det var svårt för jästen att upprätthålla en reaktion med järnsvavelproteinet i cellerna. Detta berodde på en otillräcklig mängd järnsvavelkluster i jästcellerna.

Järn (Fe) är avgörande för att jästcellerna ska producera 1, 2, 4-butantriol, men för mycket järn skadar cellerna. Metabolisk ingenjörskonst (optimering av regulatoriska och genetiska processer i celler för att öka produktionen av en viss substans) användes för att ytterligare genetiskt modifiera jästen för att öka dess järnmetabolism. Detta förbättrade jästens reaktivitet med xylonatdehydrataset och säkerställde att funktionella Fe-S-enzymer bildades (Figur 2). Genom att använda denna modifierade jäststam förbättrades den katalytiska aktiviteten med ungefär 6 gånger.

Vidare, flaskhalsen i steg 4 övervanns genom att använda KdcA (som härrör från Lactococcus lactis - en bakterie som vanligtvis används för fermentering i livsmedelsindustrin) som dekarboxylas för att ge tillräcklig katalytisk aktivitet.

Resultat

I sista hand, denna metod lyckades producera 1,7g/L av 1, 2, 4-butantriol när manipulerad jäst användes. Dessutom, 1,1 g/L av 1, 2, 4-butantriol producerades av rishalmshydrolysatlösningen som användes som medium under fermentationsexperimentet (Figur 3).

Denna forskning tyder på att det skulle vara möjligt att producera andra kemikalier som kräver järnsvavelproteiner med en liknande metod. Att optimera den metaboliska vägen i denna studie genom ytterligare forskning skulle möjliggöra större produktion av användbara föreningar från lignocellulosabiomassa. Detta kan potentiellt minska framtida beroende av ändliga oljeresurser och förorenande produktionsmetoder.