En forskargrupp, bestående av doktoranden Fujiwara Ryosuke, Docent Tanaka Tsutomu (båda från Kobe Universitys Graduate School of Engineering) och forskaren Noda Shuhei (RIKEN Center for Sustainable Resource Science), har lyckats förbättra utbytet av målkemisk produktion från biomassa. De uppnådde detta genom att metaboliskt konstruera bakterierna som används vid bioproduktion, så att den skulle använda olika sorters socker som absorberats från biomassan för olika syften.

Det finns problem med att använda mikrober för att producera målkemikalier. Om mikroberna använder kolkällorna (socker) för sin egen förökning, mål kemisk produktion minskar. Å andra sidan, att undertrycka denna spridning gör att mikroberna försvagas, vilket resulterar i en total nedgång i produktionen. För att lösa det här problemet, forskargruppen utvecklade en ny strategi som kallas parallell metabolisk vägteknik (PMPE), så att de kan kontrollera både målkemisk produktion och mikrobförökning. De använde detta tillvägagångssätt för att förändra E. coli-bakterier för att framgångsrikt öka produktionen av nylonprekursorn mukonsyra.

Att använda den valda kolkällan enbart för målkemisk produktion och använda de återstående källorna för mikrobförökning kommer att åstadkomma stora framsteg i produktionen av aromatiska föreningar och råvaror för medicinska och kemiska produkter. Resultaten av denna forskning publicerades först i Naturkommunikation den 14 januari.

Industrin är beroende av fossila bränslen som råmaterial för att producera olika produkter. Dock, att producera petroleumhärledda föreningar ökar mängden atmosfärisk CO ₂ , orsakar en mängd miljöproblem.

Följaktligen, det finns ett behov av att utveckla bioraffinaderiteknik som involverar användning av mikrober för att producera kemiska föreningar från naturligt rikliga förnybara resurser som träd och växtmaterial. Biomassabaserade produkter har fördelen av att vara kolneutrala; de ökar inte mängden CO ₂ i atmosfären. Man hoppas att användning av biomassa för att producera olika användbara föreningar kan utgöra en grund för ett koldioxidsnålt samhälle, minska mängden atmosfärisk CO ₂ .

Mukonsyra är en användbar kemikalie som lätt kan omvandlas till adipinsyra, en ingrediens i nylonproduktion. Det används också som råvara vid tillverkning av medicinska och kemiska produkter. Dock, det är för närvarande kemiskt syntetiserat från petroleumresurser. Förhoppningen är att en fermenteringsmetod skulle kunna utvecklas med hjälp av mikrober och förnybara växtbaserade resurser med mildare reaktionsförhållanden och färre biprodukter.

Dock, det finns problem med att använda mikrober för att producera målkemikalier från biomassa. Det finns många fall där mikrober som använder biomassa förökar sig istället för att producera målkemikalien. Dock, förändring av ämnesomsättningen för att förhindra att mikroberna ökar gör att de försvagas, vilket innebär att målkemikalierna inte kan syntetiseras. Balansen mellan mikrobers självförökning och målkemisk produktion är en stor fråga.

För att lösa detta dilemma, forskargruppen utvecklade PMPE där de separerade sockeranvändningen mellan mikrobförökning och målkemisk produktion, så att de kan kontrollera varje process oberoende.

Lignocellulosisk biomassa, som inte konkurrerar med den globala livsmedelsförsörjningen, består av glukos och xylossocker (Figur 1). Forskargruppen utvecklade en metabolisk strategi som innebar att modifiera E. coli -bakterierna så att de skulle utnyttja glukos för kemisk målproduktion och xylos för förökning av mikrober.

I vanliga mikrober, glukos och xylos använder samma metaboliska väg och används båda för mikrobtillväxt och målkemisk produktion (som visas i figur 2). Detta minskar mängden målkemikalie som syntetiseras eftersom mikroberna absorberar sockerarterna för att producera och underhålla de grundämnen och energi som de behöver för att leva.

Som visas i figur 2, Genom att dela upp mikrobernas metaboliska väg gör det möjligt för varje socker att användas oberoende med all glukos som används för målkemisk produktion och all xylos används för mikrobförökning och underhåll. Detta gjorde att ett större utbyte av målkemikalien kunde produceras eftersom inget av glukosen användes för mikrobtillväxt.

Denna forskargrupp introducerade en metabolisk väg till den modifierade E. coli för syntetisering av mukonsyra. Den modifierade E. coli använde glukos och xylos, leder till produktionen av målkemikalien. Forskarna lyckades producera 4,26 g/L mukonsyra med ett utbyte på 0,31 g/g-glukos (Figur 3). Detta anses vara den högsta avkastningen i världen, bevisa effektiviteten av PMPE-strategin.

Senare, forskarna undersökte om PMPE -strategin kunde tillämpas på produktion av andra kemikalier än mukonsyra. Som ett resultat, de ökade framgångsrikt utbytet av den essentiella aminosyran och aromatiska föreningen fenylalanin, och 1, 2-propandiol, som används som tillsats i läkemedel och livsmedelsprodukter. Dessa resultat har visat att PMPE är en mångsidig teknik som kan användas för att effektivt producera en mängd olika föreningar.