Mikroorganismer som effektivt kan omvandla växtbiomassa till förnybara biobränslen och biokemikalier spelar en stor roll för framtidens hållbara samhälle. Men effektiviteten hos dessa mikrobiella cellfabriker hämmas av ett flertal ämnen som frigörs då biomassa bryts ner till socker som cellfabrikerna sedan omvandlar.
Hur kan man förbättra dessa bioprocesser? Forskare inom industriell bioteknik vid Chalmers är ett steg närmare svaret.
Bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, används för fermentering av lignocellulosa från växtbiomassa. Syftet är att producera hållbara biobränslen och biokemikalier. Men cellernas prestanda hämmas av olika ämnen, till exempel furaner, syror och fenoler, som frigörs under förbehandlingen av biomassan. Därmed hämmas även möjligheten för dessa processer att bli ett kostnadseffektivt alternativ till konventionell produktion.
Vill öka cellfabrikernas tolerans mot inhibitorer
Den stora samhällsnyttan som effektiv fermentering av lignocellulosa skulle kunna leda till har resulterat i många studier där forskare gjort genetiska modifieringar av olika jäststammar för att öka cellfabrikernas tolerans mot olika inhibitorer. Syftet är att öka produktiviteten hos cellerna.
Yvonne ygårdEnligt Yvonne Nygård, docent i industriell bioteknik, och hennes kollegor vid Chalmers, har det dock saknats en sammanställande analys av information som tidigare forskning har genererat för vidare utveckling av effektiva jäststammar.
− I vårt arbete med utveckling av nya cellfabriker ville vi bygga på all den kunskap som tagits fram tidigare. Mer specifikt var målet att med hjälp av den nya CRISPR/Cas9 tekniken kombinera och finjustera genmanipuleringar som tidigare visats gynnsamma för fermentering av lignocellulosa, säger Yvonne Nygård.
En väldigt stor mängd arbete hade gjorts tidigare och forskarnas databas med information växte i takt med att de kom djupare in i ämnet.
− Samtidigt blev det svårare för oss att välja vilka data vi skulle bygga vidare på. Därtill lade vi märke till att de olika experimenten som rapporterats var väldigt olika, vilket gjorde att det blev svårt att jämföra datan och dra slutsatser. Den systematiska analysen vi gjorde var helt enkelt för att förenkla vårt eget arbete. Ganska snabbt kom vi på idén att också dela databasen och analysen med andra och beslöt oss för att sammanfatta detta i en review-artikel, tillägger hon.
Sammanställning av 7971 experiment
Forskarna samlade in data från 103 tidigare studier och sammanlagt 7971 experiment. I studierna hade man modifierat olika stammar av bagerijäst för att förändra toleransen mot de vanligaste inhibitorerna i den förbehandlade lignocellulosan (så kallat lignocellulosahydrolysat): ättiksyra, myrsyra, furaner och fenolföreningar. De mutanter som ingick i analysen hade uppvisat ökad eller minskad tolerans mot individuella inhibitorer eller kombinationer av inhibitorer.
Inhibitorernas effekter på cellerna kan till exempel vara minskad tillväxthastighet, cellöverlevnad, vitalitet och produktutbyte. Den hämmande effekten beror på förekomsten av individuella hämmare och förvärras av miljöfaktorer, inklusive pH, temperatur och näringstillgänglighet.
− Analysen visade att resultaten väldigt ofta präglades av vilken stam man använt och vilka odlingsförhållanden man valt. Fastän så mycket redan har gjorts var det relativt få genmodifieringar som använts i olika stambakgrunder eller för omvandling av olika sorters biomassa, säger Yvonne Nygård.
Utveckling av ny cellfabrik kan påskyndas
Arbetet mot en ny cellfabrik kan till exempel påskyndas genom att tillämpa de genmodifieringar som gett fördel i flera olika stammar eller för tolerans mot flera olika hämmare. Dessutom beskriver studien biologin bakom de olika genmodifieringarna − som i flera olika studier påvisats leda till bättre stammar − och bidrar därmed till att öka kunskapen om vad som krävs för utvecklingen av mer tåliga cellfabriker.
Läs hela studien av Elana Cámara, Lisbeth Olsson, Jan Zrimec, Aleksej Zelezniak, Cecilia Geijer och Yvonne Nygård, institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers: Data mining of Saccharomyces cerevisiae mutants engineered for increased tolerance towards inhibitors in lignocellulosic hydrolysates
Kontakt
- Docent, Industriell bioteknik, Life Sciences