Svampen Talaromyces verruculosus kan producera kemikalien erytro-isocitronsyra direkt från billigt växtavfall, vilket gör den intressant för industriell användning.
Med hjälp av den icke genetiskt modifierade svampens naturliga förmågor har ett forskarlag från Jena upptäckt en metod för effektiv omvandling av cellulosa till en form av isocitrinsyra. Den nya produktionsmetoden kan avsevärt förenkla den tidigare komplexa och flerstegsprocess för att erhålla plattformskemikalier från cellulosa genom att endast kräva en enda bioprocess.
Tack vare den nya kostnadseffektiva metoden kan den sällan använda systermolekylen av den intensivt använda citronsyran gynna en hållbar cirkulär ekonomi – förutsatt att det finns en marknad för det.
Studien publicerades av en forskargrupp från Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology—Hans Knöll Institute (Leibniz-HKI) i tidskriften ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
Som naturliga metaboliska produkter från de flesta levande organismer är citronsyra och isocitronsyra bland de mest utbredda syrorna i naturen. Citronsyra tillverkas industriellt i stora mängder med hjälp av mögelsvampen Aspergillus niger. Med en årlig produktion på cirka 2,8 miljoner ton över hela världen är det en av de biotekniska produkterna med högst volym av alla.
Dess användningsområde är enormt:oavsett om det är som avkalkningsmedel, konserveringsmedel, vårdprodukt eller smakförstärkare – den mångsidiga naturliga kemikalien är en viktig och även billig tillsats i industrin, eftersom bioteknisk produktion är extremt effektiv och okomplicerad.
Tillverkning av bioplaster och biobränslen från citronsyra är också tekniskt möjlig. Men eftersom citronsyra framställs av socker och därför konkurrerar direkt med livsmedelsproduktionen har dessa användningsområden hittills varken varit ekonomiska eller hållbara. Faktum är att produktionen av citronsyra för närvarande förbrukar mer än 1 % av den globala sockerproduktionen.
Isocitronsyra är mycket lik citronsyra, bara en hydroxylgrupp är placerad på en annan kolatom. Detta gör molekylen asymmetrisk och det finns två olika varianter, så kallade diastereomerer, som kallas treo- och erytro-isocitrinsyra. Varje diastereomer har två spegelbildsvarianter, D- och L-formerna.
Citronsyra och isocitronsyra har nästan identiska egenskaper och man kan anta att isoformen skulle vara lika brett användbar. Anledningen till att så inte är fallet är att det ännu inte har funnits en effektiv produktionsprocess för ren isocitronsyra, så den finns för närvarande endast som forskningskemikalie.
Ett kilo av ämnet kostar för tillfället cirka 18 000 euro. Den nya produktionsprocessen möjliggör dock en hållbar och billig produktion av växtavfall och rester som halm, returpapper eller trärester, vilket skulle kunna göra det möjligt att framställa isocitronsyra ännu billigare än citronsyra i framtiden.
Hittills har det krävts en komplex process i tre steg för att använda sådana förnybara källmaterial. Det behövdes dyra enzymer för att först bryta ner cellulosan enzymatiskt till socker så att den slutligen kunde utnyttjas av mikroorganismerna.
En svamp – en process
Ett lovande tillvägagångssätt är så kallad konsoliderad bioprocessing (CBP), där olika processsteg kombineras till ett enda med hjälp av lämpliga mikroorganismer. Stjärnan i det nya biotekniska förfarandet är mögeln Talaromyces verruculosus.
I screeningtester upptäckte första författaren Ivan Schlembach att den vilda typen av T. verruculosus som isolerats från naturen kan omvandla lignocellulosa direkt till erytro-isocitrinsyra, massvis och mycket effektivt i en enda process där svampen själv producerar alla enzymer som krävs för detta.
I experiment fastställde forskarna de ideala förutsättningarna för cellulosanedbrytning och produktion av isocitronsyra, inklusive faktorer som kvävehalt, pH-värde, temperatur och näringskoncentration. De utvecklade också nya metoder för att noggrant mäta aktiviteten hos enzymet cellulas, som är avgörande för nedbrytningen av cellulosa, under fermenteringsprocessen. Detta möjliggör optimal kontroll av produktionsprocessen.
Miriam Rosenbaum leder Bio Pilot Plant vid Leibniz-HKI och är professor i syntetisk bioteknik vid Friedrich Schiller University Jena. Hon förklarar, "T. verruculosus har den unika förmågan att omvandla lignocellulosa direkt till erytro-isocitronsyra med anmärkningsvärd effektivitet.
"Det gör det i en takt som är jämförbar med omvandlingen av glukos, som används i laboratoriet som utgångsmaterial för fermenteringsprocessen. Med svampen har vi utvecklat en enklare och billigare process."
Isocitronsyra kan enkelt omvandlas kemiskt till itakonsyra, som det redan finns en stor efterfrågan på för produktion av hållbara plaster och beläggningar. Om erytro-isocitronsyra är lättillgänglig bör det därför inte råda brist på kunder.
Det finns dock samma hinder som för alla nya substanser:eftersom erytro-isocitronsyra hittills inte har funnits i stora mängder, måste marknaden för det först etableras.
Den betydligt billigare processen som nu har utvecklats öppnar för nya möjligheter och tillämpningar.
En annan speciell egenskap är det faktum att endast erytro-isocitronsyra bildas i processen och inte en blandning av olika diastereomerer. Detta gör molekylen särskilt intressant för speciella tillämpningar, till exempel inom läkemedelsindustrin.
När det gäller läkemedel är ofta bara en diastereomer effektiv, så den måste mödosamt isoleras från blandningen av båda varianterna. Erytro-isocitronsyra kan fungera som en värdefull kiral byggsten för kemiska synteser.
De specifika biologiska egenskaperna hos erytro-isocitronsyra har hittills inte studerats mycket. Många användbara egenskaper har dock påvisats för systermolekylen treo-isocitronsyra.
Det senare kan vara ett värdefullt tillskott till citronsyra, särskilt inom medicin-, läkemedels-, kosmetika- eller livsmedelsindustrin, till exempel som kelatbildande medel, som antikoagulant i blodprover, som ett funktionellt kosttillskott, som en ingrediens i kosmetika, som konserveringsmedel eller som anti-aging förening i livsstilsprodukter.
Resultaten understryker att organismer som T. verruculosus kan möjliggöra ett hållbart utnyttjande av bioavfall och göra produktionen av värdefulla kemikalier från förnybar biomassa ekonomiskt lönsam.
"Naturen har en enorm potential att ta itu med globala hållbarhetsutmaningar. Svampen T. verruculosus lägger grunden för en billig grön teknik, och det finns också många industriella användningsområden för isocitronsyra. Det enda som saknas i nuläget är marknadens öppenhet för att den nya processen", betonar Ivan Schlembach.
Forskargruppen arbetar nu med att ytterligare optimera processen och belysa de biokemiska reaktioner som är involverade i bildandet av isocitronsyra. Genom att förfina biokemiska parametrar hoppas forskarna från Jena bidra till omställningen till en hållbar och resurseffektiv bioekonomi.
I framtiden vill de samarbeta med intresserade industriella partners för att ta reda på om förfarandet, som nu patenterats, också kan hålla sig på marknaden.
Mer information: Ivan Schlembach et al, Nonengineered Fungus ger en genväg från cellulosa till bulk erytro-isocitrisk syra, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c04664
Journalinformation: ACS Sustainable Chemistry &Engineering
Tillhandahålls av Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI)
