Готово к рынку: Модифицированные дрожжи повышают чистоту и рентабельность производства химикатов
Исследователи из Центра инноваций в области передовой биоэнергетики и биопродуктов (CABBI), развивая успех в создании более чистого способа получения ценных органических кислот, приблизили один продукт к коммерциализации, значительно повысив его выход.
Команда CABBI из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Принстонского университета перепроектировала метаболизм дрожжей Issatchenkia orientalis, чтобы значительно усилить их ферментацию растительной глюкозы в янтарную кислоту — важный промышленный химикат, используемый в пищевых добавках и широком спектре сельскохозяйственных и фармацевтических продуктов. Поскольку I. orientalis устойчива к высококислотным условиям, она является идеальным хозяином для производства органических кислот.
Этот естественный процесс ферментации, основанный на дрожжах и возобновляемом растительном сырье, более экологичен, чем традиционное производство с использованием нефтехимии. Однако стоимость остается барьером для коммерческого внедрения, отмечает руководитель направления Conversion в CABBI Хуймин Чжао, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Иллинойсе и ведущий автор исследования.
Улучшение выхода — количества янтарной кислоты, производимой из грамма глюкозы — сделало бы процесс более экономически жизнеспособным.
Ранее команда CABBI создала рентабельный, комплексный процесс производства янтарной кислоты с использованием модифицированного штамма I. orientalis, в который были добавлены ферменты и гены, позволившие ему лучше утилизировать сахарозу из сахарного тростника и повысить производство янтарной кислоты.
Этот пилотный проект показал, что модифицированные дрожжи могут производить 110 граммов на литр (г/л) янтарной кислоты в условиях низкого pH, с общим выходом 64% после ферментации и обработки.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, они применили другую стратегию метаболической инженерии для I. orientalis, называемую «декомпартментализацией», и повысили выход до 85% — значительное улучшение, по словам Чжао.
Все живые клетки, включая дрожжевые, используют энергию сахаров, таких как глюкоза, для производства NADH (никотинамидадениндинуклеотид + водород), кофермента, который помогает определенным ферментам выполнять химические реакции.
NADH действует как перезаряжаемая батарея, запасающая энергию. Эта энергия может быть использована для производства янтарной кислоты и других восстановленных химических веществ — тех, что получают электрон в ходе реакции окисления-восстановления.
Однако в нужной части клетки может не хватать NADH для поддержки производства. Эта проблема особенно сложна для дрожжей, потому что их клетки содержат разные компартменты, выполняющие разные функции (например, митохондрии для производства энергии и пероксисомы для расщепления определенных химикатов), и NADH распределен между этими компартментами.
Чтобы преодолеть это, исследователи переместили ключевые части системы производства NADH из митохондрий в основную область клетки — цитозоль, где производится янтарная кислота. Эта «декомпартментализация» дала клеткам больше энергопроизводящего NADH там, где это было необходимо, что еще больше улучшило производство янтарной кислоты из возобновляемых сахаров.
«Эти достижения приближают нас к более экологичным производственным процессам, полезным как для окружающей среды, так и для экономики», — сказал Винь Чан, основной автор статьи и бывший аспирант Чжао.
Янтарная кислота входит в топ-12 биохимикатов с добавленной стоимостью Министерства энергетики США, и хорошо сконструированный микробный штамм крайне востребован для ее эффективного и экономичного производства.
Предыдущий анализ команды CABBI показал, что минимальная отпускная цена продукта (MPSP) наиболее чувствительна к выходу ферментации, что указывает на необходимость дальнейшего улучшения выхода для повышения финансовой жизнеспособности модифицированного штамма 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 предыдущими 1,30 доллара.
«Это огромный шаг», — сказал Чжао. — «Для таких промышленных химикатов даже несколько центов — большое снижение».
Ежегодно производится около 700 000 тонн янтарной кислоты, рынок оценивается в 200 миллионов долларов, поэтому экономия быстро растет, отметил 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-HP), в рамках своей работы по созданию биотоплива и биохимикатов из биомассы сельскохозяйственных культур.