Учёные увеличили выход этанола из биомассы, заставив дрожжи потреблять уксусную кислоту
Исследователи сообщают в Nature Communications, что им удалось генетически модифицировать дрожжи для потребления уксусной кислоты — ранее нежелательного побочного продукта при переработке растительных тканей в биотопливо. Инновация увеличивает выход этанола из лигноцеллюлозных источников примерно на 10%.
Проблема лигноцеллюлозы
Лигноцеллюлоза — это волокнистый материал, составляющий структурные ткани растений. Это один из самых распространённых сырьевых материалов на планете, богатый углеродом, что делает его привлекательным источником возобновляемой биомассы для производства биотоплива.
Дрожжи Saccharomyces cerevisiae хорошо ферментируют простые сахара (например, из кукурузных зёрен или сахарного тростника) в этанол. Однако заставить их перерабатывать стебли и листья растений сложнее. Промышленный процесс требует дорогостоящих этапов, включая расщепление гемицеллюлозы — ключевого компонента лигноцеллюлозы.
«Если мы разложим гемицеллюлозу, мы получим ксилозу и уксусную кислоту», — пояснил профессор Йонг-Су Джин. «Ксилоза — это сахар; мы можем модифицировать дрожжи для её ферментации. Однако уксусная кислота — токсичное соединение, которое убивает дрожжи. Это одна из самых больших проблем в производстве целлюлозного этанола».
От проблемы к решению
В более раннем исследовании учёные уже модифицировали S. cerevisiae для более эффективного потребления ксилозы. Это улучшило выход этанола, но привело к избытку молекулы NADH, участвующей в переносе электронов. Накопление уксусной кислоты также убивало дрожжи.
После обсуждения проблемы у исследователей возникла идея — заставить дрожжи потреблять уксусную кислоту. Это могло бы также использовать избыток NADH от метаболизма ксилозы.
Анализируя предыдущие работы, учёные обнаружили, что бактерии способны потреблять уксусную кислоту. Они идентифицировали ферменты, катализирующие этот процесс, и увидели, что один из них не только превращает уксусную кислоту в этанол, но и использует избыток NADH.
Проверка гипотезы и успех
Перед внедрением генов в дрожжи команда с помощью компьютерного моделирования оценила, как это повлияет на выход этанола. Расчёты показали потенциальный рост производства.
После нескольких месяцев кропотливой работы гены были успешно встроены в дрожжи. Тесты показали, что модифицированные дрожжи производят примерно на 10% больше этанола, что соответствовало расчётам. Эксперименты подтвердили, что часть этанола теперь производится из ацетата — впервые для S. cerevisiae.
«Мы, по сути, перестроили то, как дрожжи используют углерод», — сказал Джейми Кейт.
Значение открытия
Этот прорыв также упростит другие этапы производства биотоплива. Теперь специалистам по генетике растений и предварительной обработке биомассы не нужно искать способы удаления уксусной кислоты из лигноцеллюлозы.
«Многие спрашивают, почему у нас до сих пор нет целлюлозного биотоплива. Дело не в одном ограничивающем этапе. Их много: выращивание, хранение, транспортировка, сбор, разложение биомассы до сахаров, ферментация и затем выделение этанола. Наш прогресс касается одного из этих этапов — ферментации. Но он также сделает другие шаги в процессе немного проще», — заключил Йонг-Су Джин.