Neue Metabolic-Engineering-Strategie zur effektiven Zuckerverwertung durch Mikroben verbessert die Bioproduktion von Polymerrohstoffen

Einer Forschungsgruppe, bestehend aus der Doktorandin FUJIWARA Ryosuke, der außerordentlichen Professorin TANAKA Tsutomu (beide von der Graduate School of Engineering der Universität Kobe) und der Forschungswissenschaftlerin NODA Shuhei (RIKEN Center for Sustainable Resource Science), ist es gelungen, die Ausbeute der Zielchemikalienproduktion zu verbessern Biomasse. Sie erreichten dies, indem sie die in der Bioproduktion verwendeten Bakterien metabolisch so veränderten, dass sie verschiedene aus der Biomasse aufgenommene Zuckerarten für unterschiedliche Zwecke nutzen würden. Bei der Verwendung von Mikroben zur Herstellung von Zielchemikalien treten Probleme auf. Wenn die Mikroben die Kohlenstoffquellen (Zucker) für ihre eigene Vermehrung nutzen, verringert sich die Produktion der Zielchemikalien. Andererseits führt die Unterdrückung dieser Ausbreitung zu einer Schwächung der Mikroben, was insgesamt zu einem Produktionsrückgang führt. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Forschungsteam eine neue Strategie namens Parallel Metabolic Pathway Engineering (PMPE), die es ihnen ermöglicht, sowohl die Produktion von Zielchemikalien als auch die Mikrobenvermehrung zu kontrollieren. Mit diesem Ansatz veränderten sie E. coli-Bakterien, um die Produktion der Nylon-Vorstufe Muconsäure erfolgreich anzukurbeln. Wenn es möglich wird, die ausgewählte Kohlenstoffquelle ausschließlich für die Produktion von Zielchemikalien zu nutzen und die verbleibenden Quellen für die Mikrobenvermehrung zu nutzen, wird dies große Fortschritte bei der Produktion aromatischer Verbindungen und Rohstoffe für medizinische und chemische Produkte mit sich bringen. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden erstmals am 14. Januar in Nature Communications veröffentlicht. Hauptpunkte Entwicklung der PMPE-Strategie, die es ermöglicht, die Verwendung von Zuckern für die Mikrobenvermehrung und die Produktion von Zielchemikalien unabhängig zu steuern. Mit diesem Ansatz konnte die Forschungsgruppe die Ausbeute an Muconsäure (der Zielchemikalie) erfolgreich steigern. PMPE kann zur Herstellung verschiedener Rohstoffe wie aromatischer Verbindungen und Dicarbonsäuren eingesetzt werden, die in chemischen Produkten und Medikamenten verwendet werden. Es wird erwartet, dass die effektive Nutzung von Rohstoffen wie Biomasse, die mehrere Zucker enthalten, verbessert wird. Forschungshintergrund Wir sind auf fossile Brennstoffe als Rohstoffe für die Herstellung verschiedener Produkte angewiesen. Allerdings erhöht die Herstellung von aus Erdöl gewonnenen Verbindungen die Menge an atmosphärischem CO2, was eine Vielzahl von Umweltproblemen wie die globale Erwärmung verursacht. Daher besteht Bedarf an der Entwicklung von Bioraffinerietechnologien (*1), bei denen Mikroben zur Herstellung chemischer Verbindungen aus natürlich vorkommenden erneuerbaren Ressourcen wie Baum- und Pflanzenmaterial eingesetzt werden. Aus Biomasse gewonnene Produkte haben den Vorteil, dass sie CO2-neutral sind (*2); Sie erhöhen nicht die CO2-Menge in der Atmosphäre. Es besteht die Hoffnung, dass die Nutzung von Biomasse zur Herstellung verschiedener nützlicher Verbindungen eine Grundlage für eine kohlenstoffarme Gesellschaft bilden und die Menge an atmosphärischem CO2 reduzieren kann. Muconsäure ist eine nützliche Chemikalie, die leicht in Adipinsäure umgewandelt werden kann, einem Bestandteil bei der Nylonproduktion. Es wird auch als Rohstoff bei der Herstellung verschiedener medizinischer und chemischer Produkte verwendet. Derzeit wird es jedoch chemisch aus Erdölressourcen synthetisiert. Es besteht die Hoffnung, dass eine Fermentationsmethode unter Verwendung von Mikroben und erneuerbaren pflanzlichen Ressourcen mit milderen Reaktionsbedingungen und weniger Nebenprodukten entwickelt werden könnte. Es gibt jedoch Probleme bei der Verwendung von Mikroben zur Herstellung von Zielchemikalien aus Biomasse. Es gibt viele Fälle, in denen die Mikroben, obwohl sie die Biomasse nutzen, sich selbst vermehren, anstatt die Zielchemikalie zu produzieren. Eine Änderung des Stoffwechsels, um die Vermehrung der Mikroben zu verhindern, führt jedoch zu einer Schwächung der Mikroben, was bedeutet, dass die Zielchemikalien nicht synthetisiert werden können. Das Gleichgewicht zwischen der Selbstvermehrung der Mikroben und der Zielchemikalienproduktion ist ein großes Problem. Um dieses Dilemma zu lösen, entwickelte das Forschungsteam eine neue Technik namens Parallel Metabolic Pathway Engineering (PMPE), bei der sie die Zuckernutzung zwischen Mikrobenvermehrung und Zielchemikalienproduktion trennten und so jeden Prozess unabhängig steuern konnten. Forschungsinhalt Lignozellulose-Biomasse, die nicht mit der globalen Nahrungsmittelversorgung konkurriert, besteht aus Glukose- und Xylose-Zuckern. Das Forschungsteam entwickelte eine Stoffwechselstrategie, bei der die E. coli-Bakterien so verändert wurden, dass sie Glukose für die Produktion von Zielchemikalien und Xylose für die Mikrobenvermehrung nutzen. In normalen Mikroben nutzen Glukose und Xylose denselben Stoffwechselweg und werden beide für das Mikrobenwachstum und die Produktion von Zielchemikalien genutzt. Dadurch wird die Menge der synthetisierten Zielchemikalie reduziert, da die Mikroben den Zucker absorbieren, um die Elemente und die Energie zu produzieren und zu erhalten, die sie zum Leben benötigen. Um dieses Problem zu entschärfen, entwickelte die Forschungsgruppe eine neue Strategie namens PMPE. Durch die Aufteilung des Stoffwechselwegs der Mikroben kann jeder Zucker unabhängig genutzt werden, wobei die gesamte Glukose für die Produktion der Zielchemikalien und die gesamte Xylose für die Vermehrung und Erhaltung der Mikroben verwendet wird. Dies ermöglichte die Produktion einer größeren Ausbeute der Zielchemikalie, da keine Glukose für das Mikrobenwachstum genutzt wurde. Diese Forschungsgruppe führte in den modifizierten E. coli einen Stoffwechselweg zur Synthese von Muconsäure ein. Die modifizierten E. coli nutzten Glucose und Xylose, was zur Produktion der Zielchemikalie führte. Den Forschern gelang es, 4,26 g/L Muconsäure mit einer Ausbeute von 0,31 g/g-Glucose zu produzieren. Dies gilt als der höchste Ertrag der Welt und beweist die Wirksamkeit der PMPE-Strategie. Anschließend untersuchten die Forscher, ob die PMPE-Strategie auf die Produktion anderer Zielchemikalien als Muconsäure angewendet werden kann. Dadurch steigerten sie erfolgreich die Ausbeute der essentiellen Aminosäure und aromatischen Verbindung Phenylalanin sowie 1,2-Propandiol, das als Zusatzstoff in Medikamenten und Lebensmitteln verwendet wird. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass PMPE eine vielseitige Technik ist, mit der sich eine Vielzahl von Verbindungen effizient herstellen lässt. Weitere Entwicklungen Es wird erwartet, dass die von dieser Forschungsgruppe entwickelte PMPE-Technik zur Steigerung der Produktion einer Vielzahl von Rohstoffen wie aromatischen Verbindungen und Dicarbonsäuren eingesetzt werden kann, die in medizinischen und chemischen Produkten verwendet werden. Darüber hinaus wird diese Strategie zur Veränderung des Stoffwechsels der Bakterien eine effizientere Nutzung von Biomasse mit mehreren Zuckern ermöglichen. Anmerkungen *1 Bioraffinerietechnologien Hierbei handelt es sich um Technologien zur Herstellung von Biokraftstoffen, Biokunststoffen, Arzneimittelinhaltsstoffen usw. unter Verwendung erneuerbarer Biomasseressourcen. *2 CO2-neutral Ein Konzept, um die Menge an atmosphärischem CO2 konstant zu halten, indem Kohlenstoffemissionen durch Kohlenstoffentfernung ausgeglichen werden oder Kohlenstoffemissionen ganz eliminiert werden. Die Verwendung von Biomasse anstelle fossiler Brennstoffe ist ein Beispiel für einen CO2-neutralen Prozess.