Ökad förnybar produktion av aromatiska kemikalier genom förbättrad hantering av oxidativ stress och proteiners felveckning

Forskningsprojekt, 2024 – 2026

Genom framsteg i den genetiska ingenjörskonsten och så kallad syntetisk biologi börjar mikroorganismer som jäst bli hållbara alternativ till kemisk syntes av olika kemikalier. På så sätt kan mikroberna användas som industriella produktionsorganismer, så kallade cellfabriker, och skräddarsys till att från enkla och billiga råvaror producera en lång rad olika kemikalier, läkemedel och bränslen. Traditionellt sett har startmaterialen ofta varit olika raffinerade sockerarter men utifrån ett hållbarhets- och processekonomiskt perspektiv är det önskvärt att bioprocesserna skiftas till att istället utgå från billiga och förnybara startmaterial. Trä och oätliga växtdelar (sk lignocellulosisk biomassa) är den mest lättillgängliga förnybara råvaran på jorden och den är dessutom uppbyggd av sockerarter. Dessa sockerarter är dock svåra att utvinna.I detta projekt ligger fokus på att skapa ny förståelse för hur jästsvampar bättre kan hantera de giftiga biprodukter som bildas då lignocellulosisk biomassa bryts ned till socker. Lignocellulosa är huvudsakligen uppbyggd av långa polymerer av energirika sockerarter men på grund av dess struktur och uppbyggnad är de svåra att utvinna. Socker extraheras från lignocellulosa huvudsakligen genom kemisk behandling och enzymatisk hydrolys då dock även giftiga biprodukter, så kallade lignocellulosiska inhibitorer, bildas. Lignocellulosiska inhibitorer är en stor utmaning för de mikrobiella celler som används vid produktion av biokemikalier från lignocellulosa bland annat på grund av oxidativ stress orsakad av reaktiva syreföreningar och ättikssyra. Den senare orsakar bland annat störningar i den intracellulära pH balansen.Vi kommer att använda oss av de senaste verktygen och kunskaperna om hur oxidanter och syror som huvudsakliga måltavlor påverkar protein homeostasen eller proteiners syntes, veckning och nedbrytning. Molin har en gedigen erfarenhet av studier på hur oxidanter påverkar olika delar av proteiners syntes, veckning och nedbrytning och en pilotstudie från Nygård och Mukherjee visar att regleringen av proteasomen, som bland annat bryter ned felveckade proteiner, kan utgöra ett nytt sätt att motverka både oxidativ och syra-stress så att produktionen av biokemikalier från lignocellulosa kan förbättras.Vi kommer att generera bibliotek av muterade jäststammar med förändrat genuttryck med hjälp av gensaxen CRISPR (s k CRISPR inhibition/aktivering) och bland annat via biosensorer, genetiska verktyg som kan mäta nivåerna av oxidanter, ättikssyra och intracellulärt pH i cellerna, mäta hur cellerna hanterar oxidanter och syra-stress. På så sätt kan vi utveckla jäststammar som är resistenta mot inhibitorerna i lignocellulosa och därigenom bättre kan utnyttja detta förnybara startmaterial.Vi kommer att tillämpa dessa insikter för att utveckla säkrare och mer effektiv produktion av violacein, ett bakteriellt färgämne som har värdefulla farmakologiska egenskaper. Violacein produceras huvudsakligen av bakterier av släktet Chromobacterium vilka dock i vissa fall rapporterats orsaka allvarliga infektioner. Violacein har bland annat beskrivits bromsa tillväxten av tumörceller, bakterier, virus såväl som parasiter. Kunskapen som tas fram i projektet förväntas senare kunna tillämpas för produktionen av många andra aromatiska biokemikalier.En fördjupad förståelse för försvarsmekanismer och genreglering i jäst behövs för att utveckla nya industriella produktionsorganismer, s.k. cellfabriker. Jästsvampar används t.ex. vid jäsning av bröd eller för tillverkning av etanol och man har vidare också utvecklat jästsvampar som kan producera en stor mängd olika kemikalier, såsom insulin, vanillin eller olika kemiska ämnen som används vid tillverkning av bioplaster. Cellfabriker behövs för en biokemisk omvandling av biomassa, vilket i sig är nödvändigt för en övergång till en biobaserad ekonomi. För att motverka klimatförändringen och möta det ökade energibehovet måste vi gå från ett beroende av fossila råvaror, som kol o