Учёные преодолели главные препятствия в производстве целлюлозного биотоплива
Исследователи создали новый штамм дрожжей, способный одновременно потреблять два типа растительных сахаров для производства этанола. Это глюкоза (шестиуглеродный сахар, который относительно легко сбраживается) и ксилоза (пятиуглеродный сахар, использование которого в производстве этанола было значительно сложнее). Новый штамм, созданный путём объединения, оптимизации и дополнения предыдущих достижений, снижает или устраняет несколько ключевых неэффективностей современных методов производства биотоплива.
Результаты совместной работы учёных из Университета Иллинойса, Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, Калифорнийского университета и энергетической компании BP опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследование поддержал Институт энергетических бионаук, инициатива, финансируемая BP.
Промышленность биотоплива использует дрожжи Saccharomyces cerevisiae для преобразования растительных сахаров в биоэтанол. Однако, хотя S. cerevisiae эффективно утилизирует глюкозу (основной компонент целлюлозы), она не может потреблять ксилозу — вторичный, но значимый компонент лигноцеллюлозы, из которой состоят стебли и листья растений. Большинство инженерных штаммов, способных метаболизировать ксилозу, делают это очень медленно.
Главная проблема таких дрожжей в том, что они поглощают всю глюкозу в смеси, прежде чем начать потреблять ксилозу, поскольку транспортер глюкозы на поверхности клетки предпочитает связываться именно с ней. Медленный метаболизм ксилозы также значительно увеличивает стоимость производства биотоплива.
Целью исследователей было заставить дрожжи быстро и эффективно потреблять оба сахара одновременно — процесс, называемый совместным сбраживанием (ко-ферментацией).
Ключевые изменения в штамме
Транспортер целлобиозы. Дрожжам добавили транспортер целлобиозы (состоящей из двух связанных молекул глюкозы). Это позволяет дрожжам напрямую импортировать целлобиозу внутрь клетки, где она уже превращается в глюкозу. Этот подход, изначально разработанный соавтором работы, устраняет дорогостоящий этап добавления в смесь фермента, расщепляющего целлобиозу.
- Важное преимущество: глюкоза теперь «проникает» в дрожжи в форме целлобиозы, что позволяет транспортерам глюкозы сосредоточиться на импорте ксилозы.
Оптимизация метаболизма ксилозы. В S. cerevisiae внедрили три гена от потребляющей ксилозу дрожжи Picchia stipitis. Учёные выявили и устранили «узкое место» в этом метаболическом пути, отрегулировав относительное производство ферментов, что повысило скорость и эффективность метаболизма ксилозы.
Искусственный «изофермент».
Его создали для балансировки пропорции двух важных кофакторов, что позволило минимизировать накопление ксилита — побочного продукта пути усвоения ксилозы.
Эволюционное инжиниринг. Для оптимизации способности нового штамма утилизировать ксилозу.
Результаты
Новый штамм дрожжей потребляет оба типа сахара быстрее и эффективнее любых штаммов, используемых в биоэтанольной промышленности. Он одновременно превращает целлобиозу и ксилозу в этанол так же быстро, как сбраживает каждый сахар по отдельности.
- При совместном сбраживании целлобиозы и ксилозы удвоенное количество сахара потребляется за то же время (48 часов) с образованием более чем двойного количества этанола — наблюдается значительный синергетический эффект.
- Новый штамм как минимум на 20% эффективнее преобразует ксилозу в этанол по сравнению с другими штаммами, что делает его лучшим из описанных в литературе.
Это достижение открывает путь к коммерциализации более рентабельного одноэтапного процесса, устраняющего необходимость в раздельном сбраживании.