Исследование прокладывает путь к более эффективному производству этанола 2G с использованием специально модифицированного штамма дрожжей

Бразильское исследование открывает путь к повышению эффективности производства этанола второго поколения (2G) благодаря открытию новых мишеней для метаболической инженерии в более устойчивом штамме промышленных дрожжей. Статья об исследовании опубликована в журнале Scientific Reports.

Базы данных, составленные авторами, доступны научному сообществу в репозитории Университета Кампинаса (UNICAMP).

Этанол первого поколения (1G) производится из богатых углеводами источников (таких как сахароза), в бразильском случае — особенно из сахарного тростника. Переработка тростника генерирует большое количество волокнистых остатков, таких как жмых, которые можно использовать для производства пара и электроэнергии. Эти остатки богаты целлюлозой и гемицеллюлозой, которые можно использовать для производства этанола 2G путём превращения в более мелкие молекулы для ферментации дрожжами.

Основная проблема в производстве этанола 2G — эффективность конверсии, поскольку целлюлозу и гемицеллюлозу трудно гидролизовать. Первым шагом должно быть удаление жёсткого лигнина, чтобы сделать простые сахара в целлюлозе доступными для дрожжей. Это дорого, требует много энергии и высвобождает вещества, которые могут ингибировать процесс ферментации.

"Производство этанола 2G всё ещё требует оптимизации. Один из необходимых подходов — идентификация штаммов дрожжей, устойчивых к ингибирующим молекулам, образующимся при переработке этих остатков", — сказал Марсело Мендес Брандан, последний автор статьи. "Известно, что некоторые промышленные штаммы дрожжей обладают более высокой толерантностью к этим соединениям. Хорошо задокументированный пример — Saccharomyces cerevisiae SA-1, бразильский промышленный штамм для топливного этанола, показавший высокую устойчивость к ингибиторам. Этот штамм был в центре нашего исследования".

Методы

Эксперименты были выполнены в сотрудничестве лаборатории Тиаго Олитты Басо (Политехническая школа Университета Сан-Паулу, POLI-USP) и лаборатории Брандана в CBMEG-UNICAMP.

"Мы знали, что определённые штаммы S. cerevisiae устойчивы к этим ингибиторам, но молекулярный механизм, который они используют для этого, сложен", — сказал Басо. Исследование было сосредоточено на p-кумаровой кислоте (pCA), одном из основных ингибиторов, присутствующих в жмыхе сахарного тростника после обработки.

Чтобы понять, как дрожжи реагируют на среду, исследователи использовали мультиомиксный подход, сочетая анализ транскриптома (полного набора молекул матричной РНК, mRNA) с количественными физиологическими данными. Их целью была молекулярная и физиологическая характеристика реакции дрожжей на этот ключевой ингибитор.

Биологические эксперименты проводились в Лаборатории биопроцессов (BELA) POLI-USP с использованием непрерывного культивирования в хемостатах — биореакторах с жёстким контролем условий. Это позволило изолировать транскриптомные изменения в ответ на присутствие pCA без помех от других переменных.

Образцы S. cerevisiae SA-1, культивируемой в анаэробных хемостатах с pCA и без неё, были собраны для определения физиологических параметров. Часть материала была отправлена на секвенирование РНК на Тайвань. Результаты, проанализированные в UNICAMP, показали, что биологические механизмы, используемые дрожжами для выживания под влиянием этого ингибитора, ещё более сложны, чем считалось ранее.

Количественные физиологические данные показали, что дрожжи имеют тенденцию увеличивать выход сахара и этанола при воздействии стресса pCA в анаэробных условиях (что актуально для промышленного процесса).