На рынок выходит усовершенствованная технология производства чистой и экономичной химии с помощью генетически модифицированных дрожжей

от

Исследователи из Центра перспективных биоэнергетических и биопродуктовых инноваций (CABBI) приблизились к коммерциализации одного из продуктов, значительно улучшив его выход.

Команда CABBI из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Принстонского университета переработала метаболизм дрожжей Issatchenkia orientalis, чтобы ускорить ферментацию глюкозы из растений в янтарную кислоту — важное промышленное химическое вещество, используемое в пищевых добавках и разнообразных сельскохозяйственных и фармацевтических продуктах. Поскольку I. orientalis может переносить сильнокислые условия, она является идеальным хозяином для производства органических кислот.

Этот естественный процесс ферментации, основанный на использовании дрожжей и возобновляемого растительного сырья, более экологичен, чем традиционное производство с использованием нефтепродуктов. Однако, по словам Хуимун Чжао, руководителя темы конверсии CABBI, профессора химической и биомолекулярной инженерии в Иллинойсе и ведущего автора исследования, стоимость остаётся препятствием для коммерческого внедрения.

Улучшение выхода — количества янтарной кислоты, получаемой из грамма глюкозы — сделало бы процесс более экономически выгодным.

Команда CABBI ранее создала экономичный, комплексный производственный процесс янтарной кислоты с использованием генетически модифицированного штамма I. orientalis, с добавленными ферментами и генами, которые позволили ему лучше использовать сахарозу из сахарного тростника и увеличить производство янтарной кислоты.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, они использовали другую стратегию метаболической инженерии для I. orientalis, называемую «декомпартментализацией», и увеличили выход до 85% — значительное улучшение, по словам Чжао.

Все живые клетки, включая использованные в этом исследовании дрожжевые клетки, используют энергию из сахаров, таких как глюкоза, для производства НАДН (никотинамидадениндинуклеотид плюс водород) — кофермента, который помогает некоторым ферментам выполнять химические реакции. НАДН действует как аккумуляторная батарея, накапливающая энергию. Эта энергия может быть использована для производства янтарной кислоты и других восстановленных химических веществ — тех, которые получают электрон в результате реакции, известной как окислительно-восстановительная.

Однако в клетке может быть недостаточно НАДН в нужном месте для поддержки производства. Эта проблема особенно сложна для дрожжей, поскольку их клетки содержат разные компартменты, выполняющие разные функции — например, митохондрии для производства энергии и пероксисомы для расщепления определённых химических веществ — и НАДН распределён по этим различным компартментам.

Чтобы преодолеть это, исследователи переместили ключевые части системы производства НАДН из митохондрий в основную область клетки, цитозоль, где производится янтарная кислота. Эта «декомпартментализация» дала клеткам больше энергопроизводящего НАДН там, где это было необходимо, дополнительно улучшив производство янтарной кислоты из возобновляемых сахаров.

«Эти достижения приближают нас к более экологичным производственным процессам, которые принесут пользу как окружающей среде, так и экономике», — сказал Винь Тран, основной автор статьи и бывший докторский студент Чжао в области химической и биомолекулярной инженерии и в Институте геномной биологии Карла Р. Вёзе (IGB).

Янтарная кислота входит в десятку лучших химических веществ, производимых в США на биологической основе, и хорошо сконструированный микробный штамм высоко ценится за его эффективное и экономичное производство.

Ранее проведённый командой CABBI анализ показал, что минимальная цена продажи продукта (MPSP) наиболее чувствительна к выходу при ферментации, что указывает на необходимость дальнейшего улучшения выхода для повышения финансовой жизнеспособности генетически модифицированного I. orientalis.

Увеличение выхода янтарной кислоты до 0,85 грамма на грамм глюкозы (г/г) снизило MPSP до 97 центов за килограмм по сравнению с 1,30 доллара ранее.

«Это огромная цифра», — сказал Чжао. «Для этих промышленных химикатов даже несколько центов — это значительное сокращение».

Около 700 000 тонн янтарной кислоты производятся каждый год, а общий объём рынка составляет 200 миллионов долларов, поэтому экономия быстро умножается, сказал Чжао.

Компании уже выразили заинтересованность в масштабировании этой технологии для коммерческого использования, что потенциально может произойти в течение года, сказал Чжао.

Команда CABBI применяет эти подходы для производства других промышленно важных органических кислот, таких как 3-гидроксипропионовая кислота (3-ГП), в рамках своей работы по разработке биотоплива и биохимикатов из сельскохозяйственных культур.

Предоставлено Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте