Un team di scienziati dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ha sviluppato un bioprocesso utilizzando lievito ingegnerizzato che ha convertito in modo completo ed efficiente la materia vegetale costituita da acetato e xilosio in bioprodotti di alto valore.

Lignocellulosa, il materiale legnoso che conferisce alle cellule vegetali la loro struttura, è la materia prima più abbondante sulla Terra ed è stata a lungo considerata una fonte di energia rinnovabile. Contiene principalmente acetato e gli zuccheri glucosio e xilosio, che vengono tutti rilasciati durante la decomposizione.

In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , il team ha descritto il suo lavoro, che offre un metodo praticabile per superare uno dei principali ostacoli che impediscono la commercializzazione dei biocarburanti lignocellulosici:la tossicità dell'acetato per i microbi in fermentazione come il lievito.

"Questo è il primo approccio per dimostrare l'utilizzo efficiente e completo di xilosio e acetato per la produzione di biocarburante, ", ha affermato il professore di scienze alimentari e nutrizione umana Yong-Su Jin. Un affiliato del Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, Jin ha guidato la ricerca con l'allora studentessa Liang Sun, il primo autore del saggio.

La loro metodologia ha utilizzato completamente lo xilosio e l'acetato dalle pareti cellulari di switchgrass, trasformando l'acetato da sottoprodotto indesiderato in un prezioso substrato che aumentava l'efficienza del lievito nel convertire gli zuccheri negli idrosolati.

"Abbiamo capito che possiamo usare quello che è stato considerato un tossico, sostanza inutile come fonte di carbonio supplementare con xilosio per produrre economicamente prodotti chimici fini" come il lattone dell'acido triacetico, o TAL, e vitamina A, che derivano dalla stessa molecola precursore, acetil coenzima A, disse Jin.

TAL è una piattaforma chimica versatile attualmente ottenuta dalla raffinazione del petrolio e viene utilizzata per produrre materie plastiche e ingredienti alimentari, detto Sole, attualmente studente post-dottorato presso l'Università del Wisconsin, Madison.

In lavori precedenti, co-autore Soo Rin Kim, poi membro dell'Energy Biosciences Institute, ha progettato un ceppo del lievito Saccharomyces cerevisiae per consumare lo xilosio in modo rapido ed efficiente. Kim è attualmente un membro di facoltà presso la Kyungpook National University, Corea del Sud.

Nello studio attuale, hanno usato la gramigna raccolta presso l'U. of I. Energy Farm per creare idrolizzati di emicellulosa. Le cellule di lievito ingegnerizzate sono state utilizzate per fermentare il glucosio, xilosio e acetato negli idrosalati.

Quando glucosio e acetato sono stati forniti insieme, S. cerevisiae converte rapidamente il glucosio in etanolo, diminuendo il livello di pH della coltura cellulare. Però, il consumo di acetato è stato fortemente inibito, rendendo la coltura tossica per le cellule di lievito in condizioni di pH basso.

Quando lo xilosio è stato fornito con acetato, "queste due fonti di carbonio hanno formato sinergie che hanno promosso un metabolismo efficiente di entrambi i composti, " ha detto Sun. "Lo xilosio ha sostenuto la crescita cellulare e ha fornito energia sufficiente per l'assimilazione dell'acetato. Perciò, il lievito potrebbe metabolizzare l'acetato come substrato in modo molto efficiente per produrre molto TAL".

Allo stesso tempo, il livello di pH dei mezzi è aumentato mentre l'acetato è stato metabolizzato, che a sua volta favoriva il consumo dello xilosio da parte del lievito, ha detto il sole.

Quando hanno analizzato l'espressione genica di S. cerevisiae mediante il sequenziamento dell'RNA, hanno scoperto che i geni chiave coinvolti nell'assorbimento e nel metabolismo dell'acetato erano drammaticamente sovraregolati dallo xilosio rispetto al glucosio, ha detto il sole.

Le cellule di lievito che sono state alimentate con acetato e xilosio hanno accumulato una maggiore biomassa, insieme al 48% e al 45% di aumento dei livelli di lipidi ed ergosterolo, rispettivamente. L'ergosterolo è un ormone fungino che svolge un ruolo importante nell'adattamento allo stress durante la fermentazione.

Il co-utilizzo di acetato e xilosio ha anche aumentato l'apporto di acetil-CoA da parte del lievito, una molecola precursore dell'ergosterolo e dei lipidi, e ha fornito una scorciatoia metabolica, convertendo l'acetato in acetil-CoA, avvicinando ulteriormente la produzione TAL, ha detto il sole.

"Utilizzando insieme xilosio e acetato come fonti di carbonio, siamo stati in grado di migliorare notevolmente la produzione di TAL:una produzione 14 volte maggiore rispetto a quanto riportato in precedenza utilizzando S. cerevisiae ingegnerizzato, " ha detto Sun. "Abbiamo impiegato questa strategia anche per la produzione di vitamina A, dimostrando il suo potenziale di sovrapproduzione di altri bioprodotti di alto valore derivati ​​dall'acetil-CoA, come steroidi e flavonoidi".

Poiché il processo ha utilizzato a fondo le fonti di carbonio nella biomassa lignocellulosica, Jin e Sun hanno affermato che può essere perfettamente integrato nelle bioraffinerie cellulosiche.

"Si tratta della sostenibilità della nostra società, " ha detto Sun. "Abbiamo bisogno di utilizzare appieno queste risorse non sfruttate per costruire un futuro sostenibile. Speriamo che tra 50 o 100 anni, dipenderemo principalmente da queste materie prime rinnovabili e abbondanti per produrre l'energia ei materiali di cui abbiamo bisogno per la nostra vita quotidiana. Questo è il nostro obiettivo. Ma per ora, stiamo solo facendo piccole cose per assicurarci che questo accada gradualmente".