Engineering ammonia lyases for novel bio-based microbial cell factory: first steps to green production of adipic acid

Research Project, 2016 – 2018

Vi behöver skapa förutsättningar för en hållbar samhällsutveckling där hög produktivitet kan förenas med människors välfärd utan att rubba naturens ekosystem. De stora globala utmaningarna omfattar aktioner för att minska växthuseffekten och den globala uppvärmningen, utveckla framtidens energisystem och effektiv användning av begränsade resurser. En mycket stor del av alla kemikalier som används idag produceras från fossila råvaror, vars användning har stor negativ miljöpåverkan. En biobaserad samhällsekonomi är en ekonomi där vi minskar vårt oljeberoende och övergår till ett användande av förnybar biomassa som produktionsgrund. Biomassa, i form av skogs- och jordbruksavfall, sidoströmmar från industrin eller källor från den marina sektorn, kan användas till produktion av biobränslen, kemikalier, material, energibärare och livsmedelsingredienser. Vid en omställning till en hållbar produktion av kemikalier från biomassa, fokuserar man på att kunna producera nyckelkomponenter, så kallade plattformskemikalier, som kan användas som bas för en bred produktionspalett. För att kunna använda biomassa som råvara måste cellulosa och hemicellulosa först brytas ner till sockerarter som mikroorganismer kan omvandla (jäsa) till användbara produkter. Världens länder bygger nu strategier för hur man med hjälp av sådana jäsningsprocesser skall kunna producera olika typer av plattformskemikalier. I själva jäsningsprocessen är vi beroende av att vi kan designa effektiva mikroorganismer som kan producera plattformskemikalien med högt utbyte och hög produktivitet. Det ställs väldigt stora krav på mikroorganismens förmåga. Med hjälp av den moderna livsvetenskapen biotekniken så finns det stora möjligheter att skräddarsy mikroorganismer för ett specifikt ändamål. Vi arbetar sedan tidigare med ett bioraffinaderikoncept där vi med mikroorganismers hjälp ska tillverka plattformskemikalien adipinsyra. Adipinsyra är startmaterial för tillverkning av nylon, men används också som mjukgörare, smörjmedel och livsmedelstillsatser. Den tillverkas idag från bensen som är ett fossilbaserat och cancerframkallande ämne. I det här projektet ska vi producera en besläktad plattformskemikalie, 6-amino-2-hexensyra, en kemikalie vars efterfrågan är stor för en bio-baserad produktion av adipinsyra och kaprolaktam; två plattformskemikalier för nylon. Vårt projekt syftar till att utveckla en mer grön produktion av 6-amino-2-hexensyra än den som sker i dag. En biobaserad produktion av adipinsyra skulle spara 3.3 ton koldixid per ton av producerad adipinsyra jämfört med en fossilbaserad produktion. Projektets utmaning ligger i designen av en mikroorganism som kan producera 6-amino-2-hexensyra. Som utgångspunkt kommer vi ha lysin, som produceras från socker i storskalig effektiv produktion med Corynebacterium glutamicum. Från lysin kan 6-amino-2-hexensyra produceras i ett enda enzymatiskt steg. Dock finns inget känt enzym som kan genomföra denna reaktion. Vi kommer därför att utnyttja naturens förmåga att genomföra en likande biokemisk reaktion. Genom att modifiera enzymerna histidin-ammonium lyas och aspartat-ammonium lyas så att deras förmåga att omvandla substrat ändras, så tror vi att vi kan skapa den åtråvärda biokemiska reaktionen. Genom att kombinera rationell protein-design baserat på teoretisk modellering av enzymerna och så kallad riktad evolution, där man gör slumpmässiga ändringar i enzymerna, så har vi möjlighet att nå våra mål. Vi har satt ihop ett projektteam, som har expertis inom protein design och riktad evolution, och som också har erfarenhet av den typ av enzym vi är intresserade av. Genom den tvärvetenskapliga sammansättningen av projektteamet, och erfarenheten av att utveckla cellfabriker och biobaserade processer som värdinstitutionen har, finns det stora möjligheter att nå ett genombrott i det planerade projektet.