Mikroorganismen, die pflanzliche Biomasse effizient in nachwachsende Biokraftstoffe und Biochemikalien umwandeln, spielen eine wichtige Rolle in der nachhaltigen Gesellschaft der Zukunft. Die Effizienz dieser mikrobiellen Zellfabriken wird jedoch durch mehrere Verbindungen gehemmt, die freigesetzt werden, wenn Biomasse zu Zucker abgebaut wird, die die Zellfabriken dann umwandeln. Wie können diese Bioprozesse verbessert werden? Forscher der industriellen Biotechnologie an der Chalmers University sind einer Lösung nun einen Schritt näher gekommen und haben ihre Ergebnisse in veröffentlicht Biotechnologische Fortschritte.
Bäckerhefe, Saccharomyces cerevisiae, wird verwendet, um Lignozellulose aus pflanzlicher Biomasse zu fermentieren, um nachhaltige Biokraftstoffe und Biochemikalien herzustellen. Doch die Leistung der Zellen wird durch verschiedene Verbindungen wie Furane, Säuren und Phenole gehemmt, die bei der Vorbehandlung der Biomasse freigesetzt werden. Dies fordert den Einsatz von Bioprozessen als kostengünstige Alternative zur konventionellen Produktion heraus.
Studien zielen darauf ab, die Zellproduktivität zu steigern
Eine effiziente Fermentation von Lignocellulose könnte große gesellschaftliche Auswirkungen haben, und auf diesem Gebiet wurde bereits viel geforscht. Es gibt viele Studien, in denen Forscher verschiedene Hefestämme gentechnisch verändert haben, um die Toleranz der Zellfabriken gegenüber verschiedenen Hemmstoffen zu erhöhen – mit dem Ziel, die Zellproduktivität zu steigern.
Yvonne Nygård, außerordentliche Professorin für industrielle Biotechnologie, und ihre Kollegen bei Chalmers haben eine zusammengestellte Analyse der Informationen aus früheren Forschungsarbeiten zur Weiterentwicklung effizienter Hefen vorgenommen.
„Bei der Entwicklung neuer Zellfabriken wollen wir das gesamte gesammelte Wissen nutzen. Genauer gesagt war es unser Ziel, die neue CRISPR/Cas9-Technologie zu nutzen, um die Gentechnik zu kombinieren und zu verfeinern, die sich bisher als günstig für die Fermentation erwiesen hat Lignozellulose“, sagt Yvonne Nygård.
Es gibt eine enorme Menge früherer Forschungsdaten, und die Datenbank der Forscher wuchs, als sie tiefer gruben.
„Gleichzeitig war es für uns schwieriger, aus all den Daten auszuwählen. Außerdem stellten wir fest, dass die verschiedenen Experimente sehr unterschiedlich waren, was es schwierig machte, die Daten zu vergleichen und Schlussfolgerungen zu ziehen. Wir haben die systematische Analyse durchgeführt, um zu helfen unsere eigene Forschung. Es dauerte nicht lange, bis wir auf die Idee kamen, die Datenbank und Analysen mit anderen zu teilen, und wir beschlossen, unsere Ergebnisse in einem Review zusammenzufassen“, sagt sie.
Daten aus 7.971 früheren Experimenten wurden gesammelt und analysiert
Die Forscher sammelten Daten aus 7.971 früheren Experimenten innerhalb von 103 Studien, in denen Forscher die Toleranz verschiedener Bäckerhefe-Stämme gegenüber den häufigsten Inhibitoren in der vorbehandelten Lignocellulose (sogenanntes Lignocellulose-Hydrolysat) modifiziert hatten: Essigsäure, Ameisensäure, Furane und phenolische Verbindungen. Die in den Assay eingeschlossenen Mutanten hatten eine erhöhte oder verringerte Toleranz gegenüber einzelnen Inhibitoren oder Kombinationen von Inhibitoren gezeigt.
Die Auswirkungen der Inhibitoren auf die Zellen variieren beispielsweise von reduzierter Wachstumsrate, Zellüberleben und -vitalität bis hin zu Produktausbeute. Die Hemmwirkung ist auf das Vorhandensein einzelner Hemmstoffe zurückzuführen und wird durch Umweltfaktoren beeinflusst, einschließlich pH-Wert, Temperatur und Verfügbarkeit von Nährstoffen.
„Unsere Analyse zeigte, dass die Ergebnisse sehr oft vom Stamm und den Anbaubedingungen geprägt waren. Obwohl bereits so viel Arbeit geleistet wurde, wurden relativ wenige genetische Modifikationen in verschiedenen Stammhintergründen oder für die Umwandlung verschiedener Arten von Biomasse verwendet“, sagt er Yvonne Nygard.
Die Entwicklung neuer Zellfabriken kann beschleunigt werden
Die Arbeit an einer neuen Zellfabrik kann beispielsweise beschleunigt werden, indem genetische Modifikationen angewendet werden, die in mehreren unterschiedlichen Stämmen Vorteile zeigen, oder Modifikationen für die Toleranz gegenüber verschiedenen Hemmstoffen. Darüber hinaus beschreibt die Studie die Biologie hinter den verschiedenen genetischen Modifikationen, die in mehreren Studien gezeigt haben, dass sie zu besseren Stämmen führen. Damit trägt es dazu bei, das Wissen über die Anforderungen an die Entwicklung robusterer Zellfabriken zu erweitern.
Elena Cámara et al, Data Mining von Saccharomyces cerevisiae-Mutanten, die für eine erhöhte Toleranz gegenüber Inhibitoren in Lignocellulose-Hydrolysaten entwickelt wurden, Biotechnologische Fortschritte (2022). DOI: 10.1016/j.biotechadv.2022.107947