Jästceller och andra mikroorganismer kan användas i industriella bioprocesser för hållbar produktion av värdefulla biomolekyler. Men när dessa så kallade cellfabriker används i storskaliga processer utsätts de för förhållanden som kan påverka deras prestanda. Forskare vid Chalmers arbetar nu med att utveckla verktyg som kan leda till effektivare och stabilare cellfabriker.
Jästceller kan fermentera substrat av biomassa, till exempel restprodukter från träindustrin, och använda dessa som näringskälla. I processen kan jästcellerna, även kallade cellfabriker, skräddarsys genetiskt för att omvandla biomassan till värdefulla produkter, såsom biobränslen, biokemikalier och läkemedel.
Men det finns ett antal utmaningar när jäst och andra mikroorganismer odlas i industriella storskaliga reaktorer, till exempel variationer i miljön i reaktorn, förekomst av mutationer och kontamineringar eller miljöer som mikroorganismerna inte är anpassade för att leva i. Dessutom måste processerna vara kostnadseffektiva och kunna skalas upp för att kunna konkurrera med konventionella produktion, till exempel produktion av fossila bränslen.
Fördjupad kunskap om robusthet
Luca Torello Pianale, forskare på avdelningen för industriell bioteknik, disputerade nyligen med en avhandling om verktyg och tillämpningar för att bedöma jästcellers fysiologi och robusthet i bioprocesser. Robusthet definieras som förmågan hos ett system att bibehålla stabila prestanda trots avvikelser i den omgivande miljön.
Jäststammar som väljs för produktion kan ha hög prestanda i laboratoriemiljö. Men när produktionen skalas upp i industriella bioprocesser utsätts cellerna för förhållanden som kan påverka effektiviteten negativt. Djupare kunskap om robusthet hos olika jäststammar kan vara avgörande för om produktionen blir lönsam eller inte.
− För industrin kan det vara mer kostnadseffektivt att hitta en robust och stabil stam från början och sedan försöka skräddarsy den genetiskt för att prestera och producera bra – i stället för att välja en stam som är effektiv men inte genom hela varierande förhållandena i processen, säger Luca Torello Pianale.
Kvantifiering av robusthet
När man försöker utvärdera hur olika förhållanden, till exempel hur olika inhibitorer i lignocellulosa-hydrolysater (det vill säga den behandlade växtbiomassan som används för produktion av andra generationens biobränslen), påverkar cellfabrikernas tillväxt och metabolism testar man oftast de olika inhibitorerna en och en, eller ett fåtal åt gången. Den metoden kommer troligen inte att spegla de komplexa förhållanden som cellerna växer i under industriella produktion. Det vill Luca Torello Pianale och hans kollegor på avdelningen för industriell bioteknik ändra på.
I en nyligen publicerad studie har Luca Torello Pianale presenterat fyra sätt att kvantifiera robusthet hos jästcellfabriker. En laboratoriestam av Saccharomyces cerevisiae (bagerijäst) och två industriella stammar odlades i sju olika hydrolysat av lignocellulosa. Med hjälp av fluorescerande biosensorer analyserade forskarna de tre stammarna utifrån ett antal funktioner som rör tillväxt, till exempel specifik tillväxthastighet och produktutbyte, samt åtta intracellulära parametrar.
Fördelen med att använda fluorescerande biosensorer i analysen ligger i förmågan att snabbt kunna bedöma hur olika parametrar förändras över tid utan att behöva kompletterande utrustning eller ytterligare analys. Då når man en övervakningsnivå som nästan motsvarar realtid.
− Att kunna fånga sådan information tidigt i utveckling och förbättringar av jästsstammar kan ge nya insikter och djup till analysen av celler som används för industriella ändamål, säger Luca Torello Pianale.
"Våra verktyg kan spela en avgörande roll"
I studien utnyttjades robusthetskvantifieringsformeln som tidigare utvecklats av Cecilia Trivellin, doktorand i samma forskargrupp. Den gav möjligheten att utforska mycket olika aspekter av funktionsstabilitet, till exempel att bedöma graden av stabilitet över tid hos funktioner och heterogenitet hos populationen, ett fenomen som orsakar många problem inom bioindustrin.
− Jag tror att våra verktyg kan vara mycket användbara i en industriell kontext. Då kan man säkerställa en konsekvent prestanda oavsett vilka störningar eller förhållanden du utsätter cellerna för, såsom olika substrattyper. Våra verktyg kan spela en avgörande roll för att främja en hållbar grön bioekonomi, säger Luca Torello Pianale.
Mer om forskningen
- Läs Luca Torello Pienales avhandling: Tools and applications to assess yeast physiology and robustness in bioprocesses: Lab-scale methods from single cells to populations
- Läs publikationen "Four ways of implementing robustness quantification in strain characterization" av Luca Torello Pienale, Fabio Caputo och Lisbeth Olsson.
- Läs mer: Robusta mikroorganismer ger hållbar bioproduktion