Nový kmen kvasinek by mohl snížit cenu produkce etanolu z celulózy

Obnovitelné pohonné hmoty, např. etanol vyrobený z celulózy, jsou mnoha lidmi považovány za čistší a k životnímu prostředí šetrnější než ropa.

Nový kmen kvasinek, který by mohl pomoci snížit finanční náročnost a zefektivnit výrobu etanolu z celulózy byl objeven vědci Ministerstva zemědělství USA (United States Department of Agriculture, USDA). Tato práce, která patří do priority USDA “vyvinout nové bioenergetické zdroje“, byla uskutečněna v rámci Agricultural Research Service (ARS) v National Center for Agricultural Utilization Research v Peorii ve státě Illinois. ARS je hlavní vědeckovýzkumnou agenturou v rámci USDA.

Pevná matrice v buněčných stěnách rostlin tvořená celulózou, hemicelulózou a ligninem je pro známé enzymy těžko rozložitelná. Tento faktor prodražuje výrobu etanolu z celulózy a dělá jí náročnější, než je výroba etanolu ze škrobu.

Asi největší problém vyplývá z faktu, že rostlinné zbytky musí být předupraveny, než mohou být přeměněny na celulózový etanol. Tento krok usnadňuje rozklad celulózy, hemicelulózy a ligninu v buněčných stěnách rostlin, urychluje uvolňování jednoduchých cukrů, které jsou snadno fermentovatelné na etanol. Problém spočívá v tom, že při předúpravě prováděné ředěnou kyselinou se obvykle vytvářejí sloučeniny, které inhibují růst kvasinek během fermentace a vyvolávají u nich stres, což má za následek snížení výtěžnosti bioetanolu. Tyto inhibitory jsou jednou z hlavních překážek udržitelné velkovýrobní produkce etanolu z celulózy s nízkými náklady.

Molekulární biolog z ARS Dr. Zonglin Lewis Liu a jeho kolegové zjistili, že kmen kvasinek Clavispora NRRL Y-50464 (Y-50464) umí rozložit a fermentovat cukry ze zbytků kukuřičných palic po extrakci xylózy, která se někdy využívá průmyslově. Nový kmen kvasinek toleruje látky z kukuřičných palic, které brzdí růst kvasinek a rychlost fermentace.

Během výzkumu, který začal v roce 2003, Dr. Liu a jeho spolupracovníci pracovali se stovkami kmenů kvasinky pivní (Saccharomyces cerevisiae), druhu již dříve používaného k výrobě etanolu z rostlinného škrobu.

Kmen Y-50464 je schopný rychle růst při 37°C na rozdíl od svého rodičovského kmenu, který nejlépe roste při 30°C, a proto mu prospívají vyšší teploty potřebné pro optimalizaci procesu současné sacharifikace a fermentace (Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF). SSF je jednostupňový proces při výrobě etanolu z celulózy, který kombinuje uvolnění a fermentaci cukrů z rostlinné biomasy.

Nový kmen kvasinek byl identifikován ve dřívějších studiích zaměřených na využití biomasy cukrového čiroku pro produkci etanolu. V laboratoři byl tento kmen umístěn do podmínek, které by podporovaly expresi genetických vlastností, jenž pomáhají SSF, zahrnujících adaptaci na vyšší teploty a toleranci ke sloučeninám pocházejícím z kukuřičných palic, které brzdí produkci etanolu. To vedlo k selekci kmenu Y-50464.

Byly porovnány rychlosti jakou kmen Y-50464 a jiný kmen kvasinek Y-12632 mohou uvolnit a fermentovat cukry ze zbytků kukuřičných palic po tom, co z nich byla extrahována xylóza. Nový kmen kvasinek byl schopný začít spotřebovávat zbytky palic v exponenciální fázi růstu 24 hodin po začátku testu. Srovnávaný kmen kvasinek za stejných podmínek vůbec nerostl.

Po přidání enzymů celulázy a beta-glukosidázy, které jsou často používány k rozložení zbytků a extrakci cukrů, vědci pozorovali, že kmen Y-50464 dosáhl vrcholu rychlosti své produkce etanolu 25,7 gramu z litru 5 dní po začátku experimentu. Tato kvasinka však bez přídavku beta-glukosidázy produkovala více etanolu, 26,6 gramů z litru za 5 dnů. V porovnání s tím kmen Y-12632 vykazoval maximální produkci etanolu 22,9 gramů z litru po 6 dnech s pomocí enzymu. Bez enzymu však jeho produkce klesla na 11,9 gramů z litru.

Testování skupiny Dr. Liu potvrdilo, že kmen Y-50464 obsahuje beta-glukosidázu, což znamená, že používání této kvasinky při výrobě etanolu z celulózy by odstranilo potřebu zahrnout do tohoto procesu náklady na další enzym.

Dr. Liu a jeho kolegové odebrali vzorky extraktů proteinů z obou kmenů kvasinek s cílem hledat důkazy o aktivitě enzymů v samotných kvasinkách. V extraktech z kmenu Y-50464 pozorovali významnou enzymovou aktivitu, v extraktech z kmenu Y-12632 ale nenašli žádné známky enzymové aktivity. Po dalším testování potvrdili, že kmen Y-50464 obsahuje novou formu beta-glukosidázy, jednoho ze dvou enzymů potřebných pro produkci etanolu z celulózy. “Nyní máme vhodný kmen kvasinek, který můžeme použít při vývoji další generace biokatalyzátoru“ říká Dr. Liu, “doufáme, že se nám podaří obohatit požadované vlastnosti tohoto kmenu o další enzymy, které by nás přiblížily biologickému procesu, který potřebujeme pro perspektivní produkci biopaliv".

Dr. Liu se svými kolegy budou pokračovat v hledání možností kombinovat vhodné vlastnosti kmenu Y-50464 s dalšími enzymy, aby se ještě zlepšil perspektivní proces produkce biopaliv.

Vývoj lepších kvasinek tolerantních k inhibitorům pro efektivní, ekonomicky a environmentálně rozumnou produkci etanolu z celulózy je aktuální oblastí výzkumu pro akademické a firemní vědce po celém světě.

Autor: Dr. Ing. Jaroslav Salava, VÚRV, v.v.i.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použitá literatura

Liu Z.L., Weber S.A., Cotta M.A., Li S.-Z. (2012): A new ?-glucosidase producing yeast for lower-cost cellulosic ethanol production from xylose-extracted corncob residues by simultaneous saccharification and fermentation, Bioresource Technology, 104: 410-416, doi: 10.1016/j.biortech.2011.10.099.

Liu Z.L. (2011): Molecular mechanisms of yeast tolerance and in situ detoxification of lignocellulose hydrolysates. Applied Microbiology and Biotechnology, 90 (3): 809-825.

Ma M., Liu Z.L. (2010): Mechanisms of ethanol tolerance in Saccharomyces cerevisiae. Applied Micro biology and Biotechnology, 87 (3): 829-845.