Illustration som visar hur robusta mikroorganismer klarar sig bättre i industriella processer än andra mikroorganismer
Bioprocesser måste optimeras för att möta krav på god ekonomi och hög produktionskvalitet.  Storskaliga processer har många avvikelser som gör jäsningen oförutsägbar och suboptimal. Därför är det viktigt att utveckla robusta stammar som uppvisar hög prestanda även när de utsätts för varierande förhållanden. Illustration: Luca Torello Pianale
​​​

Robusta mikroorganismer ger hållbar bioproduktion

Vissa mikroorganismer kan användas industriellt för hållbar produktion av biobränslen, biokemikalier och material och kallas då cellfabriker. Dessa bioprocesser måste vara kostnadseffektiva och stabila för att kunna tävla mot konventionella processer. I en nyligen publicerad vetenskaplig artikel visar forskare vid Chalmers på värdet av mikrobiell robusthet i dessa bioprocesser. I denna text reder de ut begreppet och ger nya perspektiv vad robusta cellfabriker kan åstadkomma. 

Jäsningsprocesser, eller fermentering, används oftast för tillverkning av många vanliga produkter i våra vardagsliv, till exempel bagerijäst, yoghurt, mjölksyra, etanol, enzymer och farmaceutiska proteiner. Under övergången till ett fossilfritt samhälle riktas allt större uppmärksamhet mot bioprocesser där man använder biomassa och avfallsmaterial från till exempel träindustrin. I dessa processer vill man använda mikroorganismer som har anpassats och utvecklats för god överlevnad i olika ekologiska nischer i naturen.

– När vi använder en mikroorganism i en bioprocess hamnar den i helt andra – och oftast i mer utmanande förhållanden  än i naturen. Då minskar både tolerans och prestanda och hamnar långt under optimalt utfall. Därför är mikrobiell robusthet något som industrin strävar efter, säger Lisbeth Olsson, professor i industriell bioteknik på Chalmers.

Robusthet kan beskrivas som ett systems stabila prestanda trots avvikelser i den omgivande miljön. 

– Jag har länge fascinerats av att undersöka mikrobiell robusthet. Jag vill förstå det i grunden i syfte att kunna tillämpa kunskapen inom bioprocesser, säger Lisbeth Olsson. 

I en nyligen publicerad studie​ förklarar hennes forskargrupp värdet av mikrobiell robusthet för industriella fermenteringsprocesser. 

Mäta mikrobiell robusthet avgörande för val av stammar​

När man startar eller utvecklar industriella processer väljer man mikroorganismer som passar för just det resultat man vill nå. Vill man till exempel producera öl väljer man en öljäst – inte en jäst som lämpar sig för vinproduktion. Samma hänsyn, med avseende på mikrobiell robusthet, måste tas när man väljer en stam för nya bioprocesser. Men det är svårt att utvärdera olikheter i robusthet mellan olika mikroorganismer.

– Vi tror att möjligheten att mäta och kvantifiera olika mikroorganismers robusthet kommer att vara avgörande för att man ska kunna välja de rätta stammarna för olika bioprocesser, säger Cecilia Trivellin, doktorand på avdelningen för industriell bioteknik på Chalmers. 

Forskarna undersöker hur konceptet att mäta egenskaper för mikrobiell robusthet (till exempel om jäst har en stabil produktion av etanol) kan användas för industriella ändamål. 

– Olika mikroorganismer som är kandidater för en bioprocess kan testas under en uppsättning av viktiga industriella förhållanden där man mäter olika egenskaper. Genom att göra det kan man förutsäga vilka mikroorganismer som är mer stabila när de utsätts för storskaliga industriella miljöer, säger Cecilia Trivellin. 

Något som kan vara avgörande för stabil prestation hos en stam är vissa stammars förmåga att bilda så kallade subpopulationer. De senaste åren har ett antal vetenskapliga studier publicerats som pekar på detta.

Nya verktyg kan undersöka vikten av subpopulationer 

Även om alla celler i en bioprocess bör vara likadana, kan subpopulationer som uppvisar olika beteenden uppstå. Förklaringen till detta kan finnas gömd inuti cellen. Hittills har den intracellulära miljön hos cellfabriker under pågående bioprocesser inte undersökts i någon större utsträckning. För att kunna göra det kan man använda fluorescerande biosensorer, det vill säga verktyg för att upptäcka variationer av ämnen eller tillstånd inuti cellen. 

 I min senast publicerade artikel fokuserade jag på utveckling av en verktygslåda av biosensorer som kan känna av olika viktiga intracellulära parametrar och undersöka hur de kan kopplas till robusthet. Det kan lägga grunden till en djupare förståelse för storskaliga bioprocesser och vikten av subpopulationer, säger Luca Torello Pianale, doktorand på avdelningen för industriell bioteknik på Chalmers. 

Forskarnas fortsatta arbete kommer att​ fokusera mer på encelliga aspekter på hur en population av celler utvecklas. 

– Exempel på när vi kommer att kunna använda de verktyg vi har utvecklat är vid stamutveckling  med hjälp av så kallad ”laborative adative evolution”, då man med hjälp utnyttjar evolutionsprinciper från naturen för att utveckla en mikroorganisms egenskaper. Verktygen kommer också till god användning för vårt nya projekt runt probiotisk jäst, säger Lisbeth Olsson. 


Läs artikeln av Lisbeth Olsson, Peter Rugbjerg, Luca Torello Pianale and Cecilia Trivellin: Robustness: linking strain design to viable bioprocesses 

Portrait photo of Lisbeth Olsson, Peter Rugbjerg, Luca Torello Pianale and Cecilia Trivellin 

 

Läs fler publikationer från forskarna:

​​​

Sidansvarig Publicerad: ti 22 mar 2022.