Un método más sostenible y respetuoso con el medio ambiente para producir el producto químico útil 1, 2, Se ha descubierto 4-butanotriol. El equipo de la Universidad de Kobe fue el primero en el mundo en utilizar un método que involucra la fermentación directa de xilosa en paja de arroz usando una cepa de levadura diseñada para producir 1, 2, 4-butanotriol. En el curso de la realización de esta investigación, el equipo superó con éxito dos cuellos de botella para maximizar la producción.

La investigación fue realizada por el Investigador Académico Takahiro Bamba y el Profesor Akihiko Kondo (de la Escuela de Graduados de Ciencias, Tecnología e Innovación), y la profesora Tomohisa Hasunuma (del Centro de Investigación en Ingeniería Biológica).

1, 2, Usos del 4-butanotriol y métodos de producción actuales:

El producto químico básico 1, 2, El 4-butanotriol tiene una amplia variedad de usos prácticos en diferentes campos. Por ejemplo, se puede utilizar en la producción de disolventes y para sintetizar varios productos farmacéuticos, como medicamentos antivirales y para reducir el colesterol, entre otros.

Los métodos actuales de producción de 1, 2, El 4-butanotriol utiliza materias primas derivadas del aceite y da como resultado subproductos que son dañinos para el medio ambiente. La forma más común de producir la sustancia química es mediante el uso de borohidruro de sodio (NaBH ₄ ) para reducir químicamente el ácido málico a 1, 2, 4-butanotriol. Sin embargo, el proceso genera una gran cantidad de sales de borato. La eliminación de estas sales causa contaminación. La cromita y el rubidio también se pueden utilizar como catalizadores para 1, 2, Producción de 4-butanotriol, sin embargo, estos métodos requieren alta temperatura y alta presión, y también dan lugar a subproductos tóxicos.

Derivar xilosa (el segundo azúcar natural más abundante) a partir de biomasa lignocelulósica (materia vegetal seca) y usarla para producir químicos ofrece múltiples ventajas, ya que es un recurso renovable que causa mucha menos contaminación ambiental. Proporciona una alternativa sostenible a la producción a base de petróleo.

Metodología

Como se muestra en la Figura 1, 1, 2, El 4-butanotriol es producido por microbios a través de un proceso de reacción de 5 etapas dentro de las células.

Sin embargo, en los pasos 1, 3 y 4 de la reacción, no había enzimas para proporcionar un catalizador en la levadura. En este estudio, Se utilizó hidrolizado de paja de arroz para producir xilosa. La levadura utilizada fue modificada genéticamente con las enzimas requeridas para producir con éxito un rendimiento eficiente de 1, 2, 4-butanotriol.

En la primera prueba exitosa, solo 0.02g / L de 1, 2, Se produjo 4-butanotriol. Al examinar estos resultados, se hizo evidente que había actividades catalíticas insuficientes para la etapa 3 y la etapa 4 dentro de las células de levadura. Esto significó que la reacción se ralentizó en las etapas 3 y 4. Estas reacciones se consideraron cuellos de botella.

Con la presencia de grupos de azufre de hierro dentro de la estructura del catalizador de xilonato deshidratasa en la etapa 3, quedó claro que era difícil para la levadura mantener una reacción con la proteína de azufre de hierro en las células. Esto se debió a una cantidad insuficiente de racimos de azufre de hierro dentro de las células de levadura.

El hierro (Fe) es esencial para que las células de levadura produzcan 1, 2, 4-butanotriol, sin embargo, demasiado hierro daña las células. Se utilizó la ingeniería metabólica (optimización de los procesos regulatorios y genéticos dentro de las células para aumentar la producción de una sustancia en particular) para modificar genéticamente la levadura con el fin de aumentar su metabolismo del hierro. Esto mejoró la reactividad de la levadura con la xilonato deshidratasa y aseguró que se formaran enzimas Fe-S funcionales (Figura 2). El uso de esta cepa de levadura modificada mejoró la actividad catalítica en aproximadamente 6 veces.

Es más, el cuello de botella de la etapa 4 se superó utilizando KdcA (derivado de Lactococcus lactis, una bacteria comúnmente utilizada para la fermentación en la industria alimentaria) como descarboxilasa para proporcionar suficiente actividad catalítica.

Resultados

Por último, este método logró producir 1,7 g / L de 1, 2, 4-butanotriol cuando se utilizó levadura manipulada. Además, 1,1 g / L de 1, 2, El 4-butanotriol se produjo mediante la solución de hidrolizado de paja de arroz que se utilizó como medio durante el experimento de fermentación (Figura 3).

Esta investigación sugiere que sería posible producir otras sustancias químicas que requieran proteínas de azufre de hierro utilizando un método similar. La optimización de la vía metabólica en este estudio a través de investigaciones adicionales permitiría una mayor producción de compuestos útiles a partir de biomasa lignocelulósica. Esto podría reducir potencialmente la dependencia futura de recursos petrolíferos finitos y métodos de producción contaminantes.