Ett team av forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign utvecklade en bioprocess med hjälp av konstruerad jäst som helt och effektivt omvandlade växtmaterial bestående av acetat och xylos till högvärdiga bioprodukter.

Lignocellulosa, trämaterialet som ger växtceller deras struktur, är den mest förekommande råvaran på jorden och har länge betraktats som en källa till förnybar energi. Den innehåller främst acetat och sockerarterna glukos och xylos, som alla frigörs under sönderdelningen.

I ett papper publicerat i Naturkommunikation , laget beskrev sitt arbete, som erbjuder en livskraftig metod för att övervinna ett av de största hindren som hindrar kommersialiseringen av lignocellulosiska biobränslen - acetatets toxicitet för jäsande mikrober som jäst.

"Detta är det första tillvägagångssättet för att demonstrera effektiv och fullständig användning av xylos och acetat för produktion av biobränsle, "sade professor i livsmedelsvetenskap och human näring Yong-Su Jin. Anknutet till Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, Jin ledde forskningen med dåvarande doktoranden Liang Sun, tidningens första författare.

Deras metod utnyttjade xylosen och acetatet fullt ut från cellväggarna i switchgräs, omvandla acetatet från en oönskad biprodukt till ett värdefullt substrat som ökade jästens effektivitet vid omvandling av sockerarterna i hydrosolaten.

"Vi kom på att vi kan använda det som har ansetts vara giftigt, värdelös substans som en kompletterande kolkälla med xylos för att ekonomiskt producera fina kemikalier "såsom triättiksyra lakton, eller TAL, och vitamin A, som härrör från samma prekursormolekyl, acetylkoenzym A, Sa Jin.

TAL är en mångsidig plattformskemikalie som för närvarande erhålls genom raffinering av petroleum och används för att producera plast och livsmedelsingredienser, sa Sun, för närvarande en postdoktor vid University of Wisconsin, Madison.

I tidigare arbeten, medförfattare Soo Rin Kim, sedan en kollega vid Energy Biosciences Institute, konstruerade en stam av jäst Saccharomyces cerevisiae för att konsumera xylos snabbt och effektivt. Kim är för närvarande fakultetsmedlem vid Kyungpook National University, Sydkorea.

I den aktuella studien, de använde växelgräs som skördats vid U. of I. Energy Farm för att skapa hemicellulosahydrolysat. De konstruerade jästcellerna användes för att jäsa glukosen, xylos och acetat i hydrosalaterna.

När glukos och acetat tillfördes tillsammans, S. cerevisiae omvandlade snabbt glukosen till etanol, minskning av cellkulturens pH -nivå. Dock, acetatförbrukningen var starkt hämmad, vilket får kulturen att bli giftig för jästcellerna under låga pH -förhållanden.

När xylos försågs med acetat, "dessa två kolkällor bildade synergier som främjade effektiv metabolism av båda föreningarna, "Sun sa." Xylose stödde celltillväxt och levererade tillräcklig energi för acetatassimilering. Därför, jästen kan metabolisera acetat som ett substrat mycket effektivt för att producera mycket TAL. "

På samma gång, pH -värdet för media ökade när acetatet metaboliserades, vilket i sin tur främjade jästens konsumtion av xylosen, Sa Sun.

När de analyserade S. cerevisiaes genuttryck genom RNA -sekvensering, de fann att viktiga gener som är involverade i acetatupptag och metabolism metaboliserades dramatiskt av xylos jämfört med glukos, Sa Sun.

Jästceller som matades med både acetat och xylos ackumulerade större biomassa, tillsammans med 48% och 45% ökning av deras halter av lipider och ergosterol, respektive. Ergosterol är ett svamphormon som spelar en viktig roll vid stressanpassning under jäsning.

Samtidigt utnyttjande av acetat och xylos ökade också jästens tillgång på acetyl-CoA, en föregångarmolekyl av ergosterol och lipider, och gav en metabolisk genväg-omvandling av acetatet till acetyl-CoA, ta TAL -produktionen ett steg närmare, Sa Sun.

"Genom att samtidigt använda xylos och acetat som kolkällor, vi kunde förbättra TAL -produktionen dramatiskt - 14 gånger större produktion än tidigare rapporterat med hjälp av konstruerade S. cerevisiae, "Sun sa." Vi använde också denna strategi för produktion av vitamin A, visar sin potential att överproducera andra högvärda bioprodukter som härrör från acetyl-CoA, såsom steroider och flavonoider. "

Eftersom processen grundligt använde kolkällorna i lignocellulosabiomassan, Jin och Sun sa att det kan integreras sömlöst i cellulosabioraffinaderier.

"Det handlar om vårt samhälles hållbarhet, "Sun sa." Vi måste utnyttja dessa outnyttjade resurser fullt ut för att bygga en hållbar framtid. Vi hoppas att om 50 eller 100 år, vi kommer främst att vara beroende av dessa förnybara och rikliga råvaror för att producera den energi och det material vi behöver för vårt dagliga liv. Det är vårt mål. Men för nu, vi gör bara små saker för att se till att detta gradvis händer. "