Un gruppo di ricerca, composto dal dottorando Fujiwara Ryosuke, Professore associato Tanaka Tsutomu (entrambi della Graduate School of Engineering dell'Università di Kobe) e ricercatore Noda Shuhei (RIKEN Center for Sustainable Resource Science), è riuscito a migliorare la resa della produzione chimica target dalla biomassa. Hanno raggiunto questo obiettivo attraverso l'ingegneria metabolica dei batteri utilizzati nella bioproduzione, in modo che possa utilizzare diversi tipi di zucchero assorbito dalla biomassa per scopi separati.

Ci sono problemi legati all'utilizzo di microbi per produrre sostanze chimiche target. Se i microbi utilizzano le fonti di carbonio (zuccheri) per la propria propagazione, diminuzione della produzione chimica target. D'altra parte, sopprimere questa propagazione fa sì che i microbi si indeboliscano, determinando un calo complessivo della produzione. Per risolvere questo problema, il team di ricerca ha sviluppato una nuova strategia chiamata ingegneria delle vie metaboliche parallele (PMPE), consentendo loro di controllare sia la produzione chimica target che la propagazione microbica. Hanno usato questo approccio per alterare i batteri E. coli al fine di aumentare con successo la produzione dell'acido muconico precursore del nylon.

L'utilizzo della fonte di carbonio selezionata esclusivamente per la produzione di sostanze chimiche target e l'utilizzo delle restanti fonti per la propagazione dei microbi porterà grandi progressi nella produzione di composti aromatici e materie prime per prodotti medici e chimici. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati per la prima volta in Comunicazioni sulla natura il 14 gennaio.

L'industria fa affidamento sui combustibili fossili come materie prime per la produzione di vari prodotti. Però, la produzione di composti derivati ​​dal petrolio aumenta la quantità di CO . atmosferica ₂ , causando una moltitudine di problemi ambientali.

Di conseguenza, è necessario sviluppare tecnologie di bioraffineria che implichino l'uso di microbi per produrre composti chimici da risorse rinnovabili naturalmente abbondanti come la materia degli alberi e delle piante. I prodotti derivati ​​da biomasse hanno il vantaggio di essere carbon neutral; non aumentano la quantità di CO ₂ nell'atmosfera. Si spera che l'utilizzo della biomassa per produrre vari composti utili possa costituire una base per una società a basse emissioni di carbonio, riducendo la quantità di CO . atmosferica ₂ .

L'acido muconico è una sostanza chimica utile che può essere facilmente convertita in acido adipico, un ingrediente nella produzione di nylon. Viene anche utilizzato come materia prima nella produzione di prodotti medici e chimici. Però, è attualmente sintetizzato chimicamente da risorse petrolifere. Si spera che un metodo di fermentazione possa essere sviluppato utilizzando microbi e risorse vegetali rinnovabili con condizioni di reazione più miti e meno sottoprodotti.

Però, ci sono problemi con l'utilizzo di microbi per produrre prodotti chimici target dalla biomassa. Ci sono molti casi in cui i microbi che utilizzano la biomassa si propagano invece di produrre la sostanza chimica bersaglio. Però, alterare il metabolismo per impedire l'aumento dei microbi li induce a indebolirsi, il che significa che le sostanze chimiche bersaglio non possono essere sintetizzate. L'equilibrio tra l'autopropagazione dei microbi e la produzione di sostanze chimiche target è un grosso problema.

Per risolvere questo dilemma, il team di ricerca ha sviluppato PMPE in cui hanno separato l'utilizzo dello zucchero tra la propagazione dei microbi e la produzione di sostanze chimiche target, consentendo loro di controllare ogni processo in modo indipendente.

biomassa lignocellulosica, che non è in concorrenza con le forniture alimentari globali, è costituito da glucosio e zuccheri xilosio (Figura 1). Il team di ricerca ha sviluppato una strategia metabolica che prevedeva la modifica dei batteri di E. coli in modo che utilizzassero il glucosio per la produzione di sostanze chimiche bersaglio e lo xilosio per la propagazione dei microbi.

Nei microbi normali, glucosio e xilosio utilizzano la stessa via metabolica e sono entrambi utilizzati per la crescita dei microbi e la produzione di sostanze chimiche target (come mostrato nella Figura 2). Ciò riduce la quantità di sostanza chimica target sintetizzata perché i microbi assorbono gli zuccheri per produrre e mantenere gli elementi e l'energia di cui hanno bisogno per vivere.

Come mostrato in Figura 2, la divisione della via metabolica dei microbi consente di utilizzare ogni zucchero in modo indipendente, con tutto il glucosio utilizzato per la produzione di sostanze chimiche target e tutto lo xilosio utilizzato per la propagazione e il mantenimento dei microbi. Ciò ha consentito di produrre una maggiore resa della sostanza chimica bersaglio perché nessuno del glucosio veniva utilizzato per la crescita dei microbi.

Questo gruppo di ricerca ha introdotto una via metabolica per l'E. coli modificato per sintetizzare l'acido muconico. L'E. coli modificato utilizzava il glucosio e lo xilosio, che porta alla produzione della sostanza chimica bersaglio. I ricercatori sono riusciti a produrre 4,26 g/L di acido muconico con una resa di 0,31 g/g-glucosio (Figura 3). Questo è considerato il più alto rendimento al mondo, dimostrare l'efficacia della strategia PMPE.

Successivamente, i ricercatori hanno studiato se la strategia PMPE potesse essere applicata alla produzione di sostanze chimiche target diverse dall'acido muconico. Di conseguenza, hanno aumentato con successo le rese dell'aminoacido essenziale e del composto aromatico fenilalanina, e 1, 2- propandiolo, che viene utilizzato come additivo in medicinali e prodotti alimentari. Questi risultati hanno dimostrato che il PMPE è una tecnica versatile che può essere utilizzata per produrre in modo efficiente una varietà di composti.