Un metodo più ecologico e sostenibile per produrre la sostanza chimica utile 1, 2, È stato scoperto il 4-butantriolo. Il team dell'Università di Kobe è stato il primo al mondo a utilizzare un metodo che prevede la fermentazione diretta dello xilosio nella paglia di riso utilizzando un ceppo di lievito ingegnerizzato per produrre 1, 2, 4-butantriolo. Nel condurre questa ricerca, il team ha superato con successo due colli di bottiglia per massimizzare la produzione.

La ricerca è stata condotta dal ricercatore accademico Takahiro Bamba e dal professor Akihiko Kondo (della Graduate School of Science, Tecnologia e Innovazione), e il professor Tomohisa Hasunuma (del Centro di ricerca sulla biologia ingegneristica).

1, 2, Usi del 4-butantriolo e metodi di produzione attuali:

La merce chimica 1, 2, Il 4-butantriolo ha un'ampia varietà di usi pratici in diversi campi. Per esempio, può essere utilizzato nella produzione di solventi e per sintetizzare vari prodotti farmaceutici, come farmaci antivirali e ipocolesterolemizzanti, tra gli altri.

Attuali metodi di produzione 1, 2, Il 4-butantriolo utilizza materie prime derivate dal petrolio e produce sottoprodotti dannosi per l'ambiente. Il modo più comune per produrre la sostanza chimica è utilizzare boroidruro di sodio (NaBH ₄ ) per ridurre chimicamente l'acido malico a 1, 2, 4-butantriolo. Tuttavia il processo genera una grande quantità di sali di borato. Lo smaltimento di questi sali provoca inquinamento. Cromite e rubidio possono essere utilizzati anche come catalizzatori per 1, 2, produzione di 4-butantriolo, tuttavia questi metodi richiedono alta temperatura e alta pressione, e anche provocare sottoprodotti tossici.

Ricavare lo xilosio (il secondo zucchero naturale più abbondante) dalla biomassa lignocellulosica (materia vegetale secca) e utilizzarlo per produrre sostanze chimiche offre molteplici vantaggi in quanto è una risorsa rinnovabile che causa un inquinamento ambientale molto inferiore. Fornisce un'alternativa sostenibile alla produzione a base di petrolio.

Metodologia

Come mostrato nella Figura 1, 1, 2, Il 4-butantriolo è prodotto dai microbi attraverso un processo di reazione in 5 fasi all'interno delle cellule.

Tuttavia nei passaggi 1, 3 e 4 della reazione, non c'erano enzimi per fornire un catalizzatore nel lievito. In questo studio, l'idrolizzato di paglia di riso è stato utilizzato per produrre xilosio. Il lievito utilizzato è stato geneticamente modificato con gli enzimi necessari per produrre con successo una resa efficiente di 1, 2, 4-butantriolo.

Nella prima prova riuscita, solo 0,02 g/L di 1, 2, È stato prodotto 4-butantriolo. Esaminando questi risultati, divenne evidente che c'erano attività catalitiche insufficienti per lo stadio 3 e lo stadio 4 all'interno delle cellule di lievito. Ciò significava che la reazione veniva rallentata negli stadi 3 e 4. Queste reazioni erano considerate colli di bottiglia.

Con la presenza di cluster ferro-zolfo all'interno della struttura del catalizzatore di xilonato deidratasi nello stadio 3, divenne chiaro che era difficile per il lievito mantenere una reazione con la proteina ferro-zolfo nelle cellule. Ciò era dovuto a una quantità insufficiente di cluster ferro-zolfo all'interno delle cellule di lievito.

Il ferro (Fe) è essenziale affinché le cellule di lievito producano 1, 2, 4-butantriolo, tuttavia troppo ferro danneggia le cellule. L'ingegneria metabolica (ottimizzazione dei processi regolatori e genetici all'interno delle cellule per aumentare la produzione di una particolare sostanza) è stata utilizzata per modificare ulteriormente geneticamente il lievito al fine di aumentare il suo metabolismo del ferro. Ciò ha migliorato la reattività del lievito con la xilonato deidratasi e ha assicurato la formazione di enzimi Fe-S funzionali (Figura 2). L'utilizzo di questo ceppo di lievito modificato ha migliorato l'attività catalitica di circa 6 volte.

Per di più, il collo di bottiglia dello stadio 4 è stato superato utilizzando KdcA (derivato dal Lactococcus lactis, un batterio comunemente usato per la fermentazione nell'industria alimentare) come decarbossilasi per fornire un'attività catalitica sufficiente.

Risultati

In definitiva, questo metodo è riuscito a produrre 1,7 g/L di 1, 2, 4-butantriolo quando è stato utilizzato il lievito ingegnerizzato. Inoltre, 1,1 g/L di 1, 2, Il 4-butantriolo è stato prodotto dalla soluzione di idrolizzato di paglia di riso che è stata utilizzata come mezzo durante l'esperimento di fermentazione (Figura 3).

Questa ricerca suggerisce che sarebbe possibile produrre altre sostanze chimiche che richiedono proteine ​​ferro-zolfo usando un metodo simile. L'ottimizzazione della via metabolica in questo studio attraverso ulteriori ricerche consentirebbe una maggiore produzione di composti utili dalla biomassa lignocellulosica. Ciò potrebbe potenzialmente ridurre la dipendenza futura da risorse petrolifere limitate e da metodi di produzione inquinanti.