Коммерчески жизнеспособное биопроизводство: Генно-модифицированные дрожжи превращают сахар в ценный химикат 3-HP

Учёные использовали кислотоустойчивые дрожжи для демонстрации экономически эффективного способа сделать производство подгузников, микропластика и акриловых красок более устойчивым.

Ключевой ингредиент этих продуктов — акриловая кислота. Её предшественником является 3-гидроксипропановая кислота (3-HP), которую почти исключительно получают из нефти путём энергоёмкого химического синтеза. Однако 3-HP можно производить из возобновляемого растительного сырья с помощью микробов, ферментирующих растительные сахара. До сих пор этот биопроцесс не был рентабельным.

В новом исследовании учёные из Университета Иллинойса и Университета Пенсильвании разработали экономичный биологический метод производства 3-HP и подтвердили его коммерческий потенциал. Работа опубликована в Nature Communications.

Почему это важно?

  • Рынок акриловой кислоты оценивается в $20 млрд с глобальным спросом около 6.6 млн тонн (2019).
  • 3-HP можно конвертировать и в другие ценные промышленные химикаты.

Научный прорыв

Исследователи из Центра инноваций в области биоэнергетики и биопродуктов (CABBI) выбрали для ферментации дрожжи Issatchenkia orientalis, которые:

  • Толерантны к низкому pH, что упрощает процесс и снижает затраты.
  • Используются для производства других органических кислот.

Методы и результаты

  1. Метаболическая инженерия: С помощью геномного моделирования определили путь бета-аланина как оптимальный для максимального теоретического выхода.
  2. Поиск генов: Обнаружили три высокопродуктивных варианта генов из этого пути, повышающих эффективность.
  3. Интеграция фермента: Внедрили множественные копии активного фермента PAND в новый штамм I. orientalis, что резко увеличило производство 3-HP.
  4. Масштабирование: В лабораторных условиях ферментации достигнуты рекордные показатели:
    • Выход: 0.7 грамма 3-HP на грамм потреблённой глюкозы (0.7 г/г или 70%).
    • Титр: 92 грамма 3-HP на литр.

"Насколько нам известно, наше исследование демонстрирует самый высокий зарегистрированный выход и титр для производства 3-HP среди всех сконструированных бактериальных и дрожжевых систем", — заявил ведущий автор Хуиминь Чжао.

Коммерческая проверка

С помощью программного обеспечения BioSTEAM была смоделирована биопроизводственная установка для получения 3-HP и его последующего превращения в акриловую кислоту. Технико-экономический анализ (TEA) и оценка жизненного цикла (LCA) подтвердили:

Перспективы

  • Работа устанавливает I. orientalis как платформу нового поколения для рентабельного производства 3-HP.
  • Учёные работают над масштабированием процесса, интеграцией последующих стадий и использованием другого возобновляемого сырья.
  • Параллельно в CABBI исследуют другие применения 3-HP, например, его конверсию в малоновую кислоту — важный промышленный химикат.
2026-01-09