Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, die Ethanolproduktion durch Hefefermentation zu steigern, eine Standardmethode zur Umwandlung von Pflanzenzucker in Biokraftstoffe. Ihr Ansatz, ausführlich im Tagebuch Naturkommunikation, setzt auf sorgfältiges Timing und eine enge Arbeitsteilung zwischen synthetischen Hefestämmen, um mehr Ethanol pro Einheit Pflanzenzucker zu produzieren, als dies bei früheren Ansätzen der Fall war.
„Wir haben eine künstliche mikrobielle Gemeinschaft aufgebaut, die aus zwei manipulierten Hefestämmen besteht: einem Glucose-Spezialisten und einem Xylose-Spezialisten“, sagte Yong-Su Jin, Professor für Lebensmittelwissenschaft und menschliche Ernährung an der University of Illinois Urbana-Champaign, der Mitleiter war die neue Forschung mit Ting Lu, Professor für Bioingenieurwesen an der University of I. „Wir haben untersucht, wie sich der Zeitpunkt des Mischens der beiden Hefepopulationen und die Verhältnisse, in denen die beiden Populationen gemischt wurden, auf die Produktion von Zellulose-Ethanol auswirkten.“
Der Postdoktorand Jonghyeok Shin und Siqi Lao, ein Ph.D. Student am Zentrum für Biophysik und Quantitative Biologie an der U. of I., führte die Arbeit durch.
Glukose und Xylose sind die beiden am häufigsten vorkommenden Zucker, die beim Abbau pflanzlicher Biomasse, beispielsweise landwirtschaftlicher Abfälle, entstehen. Das Team versuchte, ein häufiges Problem zu lösen, das bei der Verwendung von Hefe zur Umwandlung dieser Pflanzenzucker in Ethanol auftritt. In freier Wildbahn bevorzugt der interessierende Hefestamm Saccharomyces cerevisiae Glukose und ist nicht in der Lage, Xylose zu verstoffwechseln. Andere Wissenschaftler haben Gentechnik eingesetzt, um die Hefe so zu verändern, dass sie auch Xylose verbraucht, aber diese manipulierten Stämme bevorzugen immer noch Glukose, was ihre Gesamteffizienz bei der Ethanolproduktion verringert.
Einige Wissenschaftler haben die Idee verfolgt, dass Gemeinschaften von Mikroben, von denen jede ihre eigene spezielle Funktion hat, effizienter arbeiten können als ein einzelner, hochentwickelter Stamm.
„Meine Gruppe widmet sich dem Design, der Analyse und der Entwicklung synthetischer mikrobieller Gemeinschaften. Jins Labor ist auf die Stoffwechseltechnik von Hefen und die Produktion von Biokraftstoffen spezialisiert“, sagte Lu.
„Mit unserem komplementären Fachwissen konnten wir testen, ob ein arbeitsteiliger Ansatz bei Hefen bei der Herstellung von Biokraftstoffen gut funktionieren könnte.“
Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten durch, um den Einsatz ihrer beiden speziellen Hefestämme zu testen. Sie änderten die Reihenfolge, in der die verschiedenen Stämme der Zuckermischung zugesetzt wurden, sowie den Zeitpunkt jeder Zugabe.
„Wir haben auch die Verhältnisse untersucht, in denen die beiden Populationen gemischt wurden, um ihre Auswirkungen auf die schnelle und effiziente Produktion von Zellulose-Ethanol zu bestimmen“, sagte Jin.
Das Team entwickelte außerdem ein mathematisches Modell, das die Leistung und Ethanolausbeute ihrer Hefen genau vorhersagt.
„Wir haben die Daten aus den Experimenten verwendet, um unser mathematisches Modell so zu trainieren, dass es die charakteristischen Verhaltensweisen des Ökosystems erfasst“, sagte Lu. „Anhand des Modells wurden dann optimale Fermentationsbedingungen vorhergesagt, die später durch entsprechende Experimente validiert wurden.“
Die Forscher fanden heraus, dass die Zugabe des Xylose-fermentierenden Hefespezialisten zu der Mischung, gefolgt von 14 bis 29 Stunden später des Glucose-Spezialisten, die Ethanolproduktion dramatisch steigerte und den Ertrag mehr als verdoppelte.
„Diese Studie zeigt das funktionelle Potenzial der Arbeitsteilung in der Bioverarbeitung und bietet Einblicke in die rationale Gestaltung technischer Ökosysteme für verschiedene Anwendungen“, schreiben die Autoren.
Yong-Su Jin und Ting Lu sind außerdem Professoren für das Thema Biosystemdesign am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology an der U. of I. Jonghyeok Shin ist jetzt Wissenschaftler am Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology.
Mehr Informationen:
Jonghyeok Shin et al.: Die kompositorische und zeitliche Arbeitsteilung moduliert die Fermentation gemischter Zucker durch ein gentechnisch verändertes Hefekonsortium. Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45011-w