En ny strategi för design av cellfabriker tillämpad för adipinsyraproduktion - kombination av introduktion av en syntetisk metabolsk väg och elektrofermentering

Forskningsprojekt, 2017 – 2021

Vi behöver skapa förutsättningar för en hållbar samhällsutveckling där hög produktivitet av vad vi behöver i vår vardag kan förenas med människors välfärd utan att rubba naturens ekosystem. De stora globala utmaningarna omfattar klimatet, 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 användning 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. Detta kan åstadkommas genom jäsning av biomassaströmmar med mikroorganismer som kan producera den plattformskemikalie vi är intresserade av, vilket är huvudtemat för vår ansökan. För att nå framgång i 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 biotekniken så finns det stora möjligheter att skräddarsy mikroorganismer för ett specifikt ändamål. När man skräddarsyr en mikroorganism behöver man justera mikroorganismens metabolism genom att förse mikroorganismen med nya metabolska vägar, och genom att minska metabolska vägar som inte leder till den önskade kemikalien kan man uppnå hög produktivitet av den önskade produkten. Ändringen i metabolismen kan skapa obalanser i hur alla metabolska reaktioner i cellen samverkar, sådan obalanser omfattar ofta redoxfaktorer i cellerna och metabolska energibärare. Vi arbetar sedan tidigare med att med mikroorganismers hjälp 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 koncentrera oss till att använda en ny värd, Corynebacterium glumaticum, för design av cellfabriken, istället för jäst som vi har arbetat med tidigare. Corynebacterium glutamicum är en känd industriell mikroorganism där alla verktyg för effektiv design av cellfabriken finns tillgängliga. Det finns teoretiskt sett flera olika möjligheter att introducera produktion av adipinsyra i en mikroorganism, som alla kan leda till olika effektiv adipinsyraproduktion. Vi har valt en väg som kallas ”reverse adipate degradation pathway”, vilket innebär att vi introducerar en väg som är känd för att bryta neradipinsyra och ska få den att gå i omvänd riktning. Projektets utmaning ligger dels i att möjliggöra att den åtråvärda metabolska vägen skall förlöpa i omvänd riktning än som påvisats naturligt i vissa mikroorganismer. En vidare utmaning består i att en obalans i redoxpotential uppstår i den metabolska vägen som vi tänker introducera. Detta kan åtgärdas genom att påverka andra redoxberoende reaktioner i cellen. Vi kommer att prova en helt ny princip – elektrofermentering. Vid elektrofermentering, som föregår vid en elektrod, kopplar man en potential som påverkar elektonflödet i cellerna. Genom att välja potential vid elektroden kan man styra vilka redoxreaktioner som sker. Vi kommer för första gången utnyttja elektrofermentering som ett verktyg när man designar mikroorganismer. Vi har satt ihop ett projektteam, som har expertis inom elektrofermentering, molekylärbiologi och fermenteringsfysiologi. Vidare har vi en kandidat till doktorandprojektet som har tidigare erfarenhet av Corynebacterium och design av mikroorganismer. Genom den 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.