Studie ebnet Weg für effizientere Produktion von 2G-Ethanol mit speziell modifiziertem Hefestamm

Eine brasilianische Studie ebnet den Weg für eine gesteigerte Effizienz der Ethanolproduktion der zweiten Generation (2G), basierend auf der Entdeckung neuer Ziele für das Metabolic Engineering in einem robusteren Industriehefestamm. Ein Artikel über die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte.

Die von den Autoren zusammengestellten Datenbanken stehen der wissenschaftlichen Gemeinschaft im Repositorium der State University of Campinas (UNICAMP) zur Verfügung, die Mitglied des Dataverse Project, einer internationalen Kooperationsinitiative, ist.

Ethanol der ersten Generation (1G) wird aus kohlenhydratreichen Quellen (wie Saccharose) hergestellt, im brasilianischen Fall insbesondere aus Zuckerrohr. Bei der Verarbeitung von Zuckerrohr fallen große Mengen an faserigen Reststoffen wie Bagasse an, die zur Dampf- und Stromerzeugung in Kraftwerken verwendet werden können. Diese Rückstände sind reich an Zellulose und Hemizellulose (polymere Kohlenhydrate, die die mechanische Festigkeit von Pflanzenstammzellwänden aufrechterhalten), die zur Herstellung von 2G-Ethanol durch Umwandlung in kleinere Moleküle für die Fermentation durch Hefe und andere Mikroorganismen verwendet werden können.

Die größte Herausforderung bei der 2G-Ethanolproduktion ist die Umwandlungseffizienz, da Zellulose und Hemizellulose schwer zu hydrolysieren sind. Der erste Schritt muss die Entfernung von zähem, faserigem Lignin sein, das im Wesentlichen Ballaststoffe sind, um die in der Zellulose und Hemizellulose befindlichen einfachen Zucker für die Hefe verfügbar zu machen. Das ist aufwendig, verbraucht viel Energie und setzt Stoffe frei, die den Gärprozess hemmen können.

„Die 2G-Ethanolproduktion muss noch optimiert werden, um die Effizienz zu steigern. Einer der erforderlichen Ansätze beinhaltet die Identifizierung von Hefestämmen, die dem Verderben durch hemmende Moleküle widerstehen, die aus der Verarbeitung dieser Rückstände stammen“, sagte Marcelo Mendes Brandão, letzter Autor des Artikels und Forscher am Zentrum für Molekularbiologie und Gentechnik (CBMEG) von UNICAMP. „Einige industrielle Hefestämme sind dafür bekannt, dass sie diese Verbindungen besser tolerieren. Ein gut dokumentiertes Beispiel ist Saccharomyces cerevisiae SA-1, ein brasilianischer industrieller Stamm für Kraftstoffethanol, der eine hohe Resistenz gegen Inhibitoren gezeigt hat, die durch die Vorbehandlung von Zellulosekomplexen erzeugt werden Diese Sorte stand im Mittelpunkt unserer Studie.“

Methoden

Die Experimente wurden von den Erst- und Zweitautoren Felipe Eduardo Ciamponi und Dielle Pierotti Procópio durchgeführt, die beide Ph.D. Kandidaten zu dieser Zeit in einer Zusammenarbeit zwischen dem Labor unter der Leitung von Thiago Olitta Basso, einem Forscher am Department of Chemical Engineering der Ingenieurschule der Universität von São Paulo (POLI-USP), und dem Labor von Brandão am CBMEG-UNICAMP.

„Um diese Studie in den Kontext der Forschung zu 2G-Ethanol zu stellen, wir wussten, dass bestimmte Stämme von S. cerevisiae gegen diese Inhibitoren resistent waren, aber der molekulare Mechanismus, den sie verwenden, um diese Resistenz zu erreichen, ist komplex und umfasst mehrere Prozesse und regulatorische Wege“, Basso genannt. Die Studie konzentrierte sich auf p-Cumarinsäure (pCA), einen der wichtigsten Inhibitoren, die nach der Verarbeitung in Zuckerrohr-Bagasse vorhanden sind. „Die in der Literatur verfügbaren Daten zeigen, dass pCA den Biomasseertrag hemmt und die Leistung dieses Hefestamms bei der 2G-Ethanolproduktion senkt.“

Um zu verstehen, wie die Hefe auf das Kulturmedium reagierte, entschieden sich die Forscher für einen Multiomics-basierten Ansatz in Kombination mit Bioinformatik, um die Analyse des Transkriptoms – der gesamten Palette der vom Organismus exprimierten Boten-RNA (mRNA)-Moleküle – mit quantitativen physiologischen Daten zu integrieren . Ihr Ziel war es, zu einer molekularen und physiologischen Charakterisierung der Reaktion der Hefe auf diesen Schlüsselinhibitor zu gelangen.

Procópio und Ciamponi führten die biologischen Experimente im BioProcessing Laboratory (BELA) von POLI-USP durch, indem sie kontinuierliche Kultivierung in Chemostaten verwendeten, einer Art Bioreaktor, in dem die physiologischen und chemischen Bedingungen streng kontrolliert werden, wodurch sie Transkriptomveränderungen isolieren konnten, die als Reaktion auf die Anwesenheit entstanden von pCA ohne Störung durch andere Variablen, die durch Umgebungsbedingungen beeinflusst werden.

Proben von S. cerevisiae SA-1 im stationären Zustand, die in anaeroben Chemostaten mit und ohne pCA kultiviert wurden, wurden gesammelt, um physiologische Parameter zu bestimmen. Ein Teil des Materials wurde zur RNA-Sequenzierung nach Taiwan geschickt. Die Ergebnisse, die im Integrative Systems Biology Laboratory von CBMEG-UNICAMP analysiert wurden, zeigten, dass die biologischen Mechanismen, die der Hefestamm verwendet, um unter dem Einfluss dieses Inhibitors zu überleben, noch komplizierter sind als bisher angenommen.

Die quantitativen physiologischen Daten legten nahe, dass die Hefe dazu neigte, die Zucker- und Ethanolausbeute zu erhöhen, wenn sie unter anaeroben Bedingungen (relevant für den industriellen Prozess) pCA-Stress ausgesetzt wurde.

Brasilien hat Fortschritte bei der Erforschung von Möglichkeiten erzielt, seine herausragende Biodiversität zu nutzen, um die Biomasseerträge bei der Herstellung von Bioprodukten zu optimieren – Konsumgüter, die durch Umwandlung von Teilen eines Organismus gebaut, zusammengesetzt oder hergestellt werden können, wie im Fall von Pflanzengewebe und -fasern, oder indem sie ihre Stoffwechselprodukte einfangen. „Ein Beispiel ist die Produktion von Kraftstoff-Ethanol, einem Rohstoff mit erheblichen Auswirkungen auf die brasilianische Wirtschaft“, sagte Brandão.