Un grupo de investigación, compuesto por el estudiante de doctorado Fujiwara Ryosuke, El profesor asociado Tanaka Tsutomu (ambos de la Escuela de Graduados de Ingeniería de la Universidad de Kobe) y el científico investigador Noda Shuhei (Centro RIKEN para la ciencia de los recursos sostenibles), ha logrado mejorar el rendimiento de la producción química objetivo a partir de biomasa. Lo lograron mediante la ingeniería metabólica de las bacterias utilizadas en la bioproducción, de modo que utilizaría diferentes tipos de azúcar absorbidos de la biomasa para objetivos separados.

Existen problemas relacionados con el uso de microbios para producir sustancias químicas objetivo. Si los microbios utilizan las fuentes de carbono (azúcares) para su propia propagación, la producción química objetivo disminuye. Por otra parte, suprimir esta propagación hace que los microbios se debiliten, resultando en una disminución general de la producción. Para resolver este problema, el equipo de investigación desarrolló una nueva estrategia llamada ingeniería de vías metabólicas paralelas (PMPE), permitiéndoles controlar tanto la producción química objetivo como la propagación de microbios. Utilizaron este enfoque para alterar la bacteria E. coli con el fin de impulsar con éxito la producción del ácido mucónico precursor del nailon.

El uso de la fuente de carbono seleccionada únicamente para la producción química de destino y el despliegue de las fuentes restantes para la propagación de microbios generará grandes avances en la producción de compuestos aromáticos y materias primas para productos médicos y químicos. Los resultados de esta investigación se publicaron por primera vez en Comunicaciones de la naturaleza el 14 de enero.

La industria depende de los combustibles fósiles como materia prima para producir diversos productos. Sin embargo, la producción de compuestos derivados del petróleo aumenta la cantidad de CO atmosférico ₂ , causando una multitud de problemas ambientales.

Como consecuencia, Existe la necesidad de desarrollar tecnologías de biorrefinería que impliquen el uso de microbios para producir compuestos químicos a partir de recursos renovables naturalmente abundantes, como materia vegetal y de árboles. Los productos derivados de la biomasa tienen la ventaja de ser neutros en carbono; no aumentan la cantidad de CO ₂ en la atmósfera. Se espera que el uso de biomasa para producir varios compuestos útiles pueda formar la base de una sociedad con bajas emisiones de carbono, reduciendo la cantidad de CO atmosférico ₂ .

El ácido mucónico es una sustancia química útil que se puede convertir fácilmente en ácido adípico, un ingrediente en la producción de nailon. También se utiliza como materia prima en la producción de productos médicos y químicos. Sin embargo, actualmente se sintetiza químicamente a partir de recursos petrolíferos. Se espera que se pueda desarrollar un método de fermentación utilizando microbios y recursos vegetales renovables con condiciones de reacción más suaves y menos subproductos.

Sin embargo, existen problemas con el uso de microbios para producir sustancias químicas objetivo a partir de biomasa. Hay muchos casos en los que los microbios que utilizan biomasa se propagan por sí mismos en lugar de producir la sustancia química objetivo. Sin embargo, alterar el metabolismo para evitar que los microbios aumenten hace que se debiliten, lo que significa que las sustancias químicas objetivo no se pueden sintetizar. El equilibrio entre la autopropagación de microbios y la producción química objetivo es un gran problema.

Para resolver este dilema, el equipo de investigación desarrolló PMPE en el que separaron la utilización de azúcar entre la propagación de microbios y la producción química objetivo, permitiéndoles controlar cada proceso de forma independiente.

Biomasa lignocelulósica, que no compite con los suministros alimentarios mundiales, se compone de glucosa y azúcares xilosa (Figura 1). El equipo de investigación desarrolló una estrategia metabólica que implicaba modificar la bacteria E. coli para que utilizara glucosa para la producción química objetivo y xilosa para la propagación de microbios.

En microbios regulares, la glucosa y la xilosa utilizan la misma vía metabólica y ambas se utilizan para el crecimiento de microbios y la producción química objetivo (como se muestra en la Figura 2). Esto reduce la cantidad de sustancia química objetivo sintetizada porque los microbios absorben los azúcares para producir y mantener los elementos y la energía que necesitan para vivir.

Como se muestra en la Figura 2, La división de la vía metabólica de los microbios permite que cada azúcar se use de forma independiente, con toda la glucosa que se usa para la producción química objetivo y toda la xilosa que se usa para la propagación y el mantenimiento de los microbios. Esto permitió que se produjera un mayor rendimiento de la sustancia química objetivo porque no se usaba nada de la glucosa para el crecimiento de microbios.

Este grupo de investigación introdujo una vía metabólica a la E. coli modificada para sintetizar el ácido mucónico. La E. coli modificada utilizó glucosa y xilosa, que conduce a la producción de la sustancia química objetivo. Los investigadores lograron producir 4,26 g / L de ácido mucónico con un rendimiento de 0,31 g / g de glucosa (Figura 3). Este se considera el rendimiento más alto del mundo, demostrando la efectividad de la estrategia PMPE.

Después, Los investigadores investigaron si la estrategia PMPE podría aplicarse a la producción de sustancias químicas objetivo distintas del ácido mucónico. Como resultado, aumentaron con éxito los rendimientos del aminoácido esencial y el compuesto aromático fenilalanina, y 1, 2- propanodiol, que se utiliza como aditivo en medicamentos y productos alimenticios. Estos resultados han demostrado que el PMPE es una técnica versátil que puede usarse para producir de manera eficiente una variedad de compuestos.