Att öka produktionen av biobränslen som etanol kan vara ett viktigt steg mot att minska den globala konsumtionen av fossila bränslen. Dock, etanolproduktion begränsas till stor del av dess beroende av majs, som inte odlas i tillräckligt stora kvantiteter för att täcka en betydande del av USA:s bränslebehov.

För att försöka utöka biobränslenas potentiella inverkan, ett team av MIT-ingenjörer har nu hittat ett sätt att utöka användningen av ett bredare utbud av icke-livsmedelsråvaror för att producera sådana bränslen. Just nu, råvaror som halm och vedväxter är svåra att använda för biobränsleproduktion eftersom de först måste brytas ned till jäsbara sockerarter, en process som frigör många biprodukter som är giftiga för jäst, de mikrober som oftast används för att producera biobränslen.

MIT-forskarna utvecklade ett sätt att kringgå den toxiciteten, gör det möjligt att använda dessa källor, som är mycket rikligare, att producera biobränslen. De visade också att denna tolerans kan omvandlas till stammar av jäst som används för att tillverka andra kemikalier, potentiellt göra det möjligt att använda "cellulosahaltigt" träaktigt växtmaterial som källa för att tillverka biodiesel eller bioplast.

"Vad vi verkligen vill göra är att öppna cellulosaråvaror för nästan alla produkter och dra fördel av det stora överflöd som cellulosa erbjuder, säger Felix Lam, en MIT-forskare och huvudförfattaren till den nya studien.

Gregory Stephanopoulos, Willard Henry Dow professor i kemiteknik, och Gerald Fink, Margaret och Herman Sokol professor vid Whitehead Institute of Biomedical Research och American Cancer Society professor i genetik vid MIT:s institution för biologi, är de äldre författarna av tidningen, som visas idag i Vetenskapens framsteg .

Ökar toleransen

För närvarande, cirka 40 procent av den amerikanska majsskörden går till etanol. Majs är i första hand en matgröda som kräver mycket vatten och gödsel, så växtmaterial känt som cellulosabiomassa anses vara ett attraktivt, icke-konkurrerande källa för förnybara bränslen och kemikalier. Denna biomassa, som inkluderar många typer av halm, och delar av majsväxten som vanligtvis inte används, kan uppgå till mer än 1 miljard ton material per år, enligt en studie från U.S. Department of Energy – tillräckligt för att ersätta 30 till 50 procent av den petroleum som används för transporter.

Dock, två stora hinder för att använda cellulosabiomassa är att cellulosa först måste befrias från det vedartade ligninet, och cellulosan måste sedan brytas ner ytterligare till enkla sockerarter som jäst kan använda. Den särskilt aggressiva förbehandlingen som behövs genererar föreningar som kallas aldehyder, som är mycket reaktiva och kan döda jästceller.

För att övervinna detta, MIT-teamet byggde på en teknik som de hade utvecklat för flera år sedan för att förbättra jästcellers tolerans mot ett brett spektrum av alkoholer, som också är giftiga för jäst i stora mängder. I den studien, de visade att spetsning av bioreaktorn med specifika föreningar som stärker jästens membran hjälpte jästen att överleva mycket längre i höga koncentrationer av etanol. Genom att använda detta tillvägagångssätt, de kunde förbättra det traditionella bränsleetanolutbytet för en högpresterande jäststam med cirka 80 procent.

I deras nya studie, forskarna konstruerade jäst så att de kunde omvandla cellulosabiprodukten aldehyder till alkoholer, så att de kan dra fördel av den alkoholtoleransstrategi som de redan hade utvecklat. De testade flera naturligt förekommande enzymer som utför denna reaktion, från flera arter av jäst, och identifierade en som fungerade bäst. Sedan, de använde riktad evolution för att ytterligare förbättra den.

"Detta enzym omvandlar aldehyder till alkoholer, och vi har visat att jäst kan göras mycket mer tolerant mot alkoholer som klass än mot aldehyder, med de andra metoder vi har utvecklat, " säger Stephanopoulos.

Jäst är i allmänhet inte särskilt effektiva för att producera etanol från giftiga cellulosaråvaror; dock, när forskarna uttryckte detta topppresterande enzym och spetsade reaktorn med de membranförstärkande tillsatserna, stammen mer än tredubblade sin cellulosaetanolproduktion, till nivåer som matchar traditionell majsetanol.

Rikligt med råvaror

Forskarna visade att de kunde uppnå höga utbyten av etanol med fem olika typer av cellulosaråvaror, inklusive switchgrass, vete strå, och majsstover (löven, stjälkar, och skal kvar efter att majsen skördats).

"Med vår konstruerade stam, du kan i princip få maximal cellulosajäsning från alla dessa råvaror som vanligtvis är mycket giftiga, " Lam säger. "Det fantastiska med det här är att det inte spelar någon roll om dina majsrester kanske en säsong inte är så bra. Du kan byta till energisugrör, eller om du inte har hög tillgång på sugrör, du kan byta till någon sorts massa, vedartade rester."

Forskarna konstruerade också sitt aldehyd-till-etanol-enzym till en jäststam som har konstruerats för att producera mjölksyra, en föregångare till bioplast. Som det gjorde med etanol, denna stam kunde producera samma utbyte av mjölksyra från cellulosamaterial som den gör från majs.

Denna demonstration tyder på att det skulle kunna vara möjligt att konstruera aldehydtolerans i stammar av jäst som genererar andra produkter som diesel. Biodiesel kan potentiellt ha en stor inverkan på industrier som tunga lastbilstransporter, frakt, eller flyg, som saknar ett utsläppsfritt alternativ som elektrifiering och kräver enorma mängder fossilt bränsle.

"Nu har vi en toleransmodul som du kan fästa på nästan alla typer av produktionsvägar, " säger Stephanopoulos. "Vårt mål är att utöka denna teknik till andra organismer som är bättre lämpade för produktion av dessa tunga bränslen, som oljor, diesel, och flygbränsle."