Biobased Adipic Acid - Challenges in Establishing a Cell Factory
Doktorsavhandling, 2019

Growing concern regarding climate change calls for sustainable solutions to significantly reduce our dependency on non-renewable fossil-based raw materials. One potential solution is the development of biorefineries where biobased, renewable raw materials are converted into valuable products via enzymatic, chemical or microbial conversion. This work focuses on the microbial production of adipic acid, a precursor in the nylon industry, currently derived from fossil-based raw material. No known naturally occurring microorganism is able to produce adipic acid, and genetic engineering of a suitable host is therefore required.

The aim of the work presented in this thesis was to engineer a microorganism for the production of adipic acid from glucose, more specifically, from glucose streams derived from lignocellulosic forest residues. Theoretical evaluation of metabolic pathways for adipic acid production revealed several obstacles, including redox imbalance and the discovery or engineering of enzymes to catalyze novel reactions. Mining of enzyme databases for alternative paths proved fruitful, and the number of biochemical reactions in the lysine pathway employing as yet unidentified enzymes was reduced from three to two, without affecting the thermo­dynamics of the pathway. A combined approach of in vitro and in silico analysis suggested potential enzyme engineering strategies for one of the reactions, for which there are as yet no identified enzymes, namely, the reduction of unsaturated α,β bonds of 6-aminohex-2-enoic acid and 2-hexenedioic acid.

When defining a suitable host for microbial adipic acid production, tolerance to high concentrations of adipic acid (50-100 g L-1) is important to ensure an economically feasible process, preferably at low pH (below 5) to further reduce the overall process cost. Screening of bacteria, yeasts and a filamentous fungus grown in increasing concentrations of adipic acid (0-100 g L-1) and at different pH revealed Candida viswanathii to be a promising host to engineer for adipic acid production. A comparative study of C. viswanathii with Saccharomyces cerevisiae in controlled batch cultivations at increasing adipic acid concentrations (0-95 g L-1) and low pH (pH 4 and pH 5) revealed significant differences in their tolerance to adipic acid; C. viswanathii being able to grow, almost unaffected, under all the conditions investigated, whereas S. cerevisiae was unable to grow at 95 g L-1. Lipid analysis of their cell membranes revealed C. viswanathii to have a thicker and more compact cell membrane, which is probably less permeable to adipic acid.

2-hexenedioic acid

enzyme engineering

6-aminohex-2-enoic acid

S. cerevisiae

adipic acid pathway via lysine

cell factory

C. viswanathii

lignocellulose

biorefinery

tolerance

in silico docking

adipic acid

KA-salen, Kemigården 4
Opponent: PhD John Morrissey, University College Cork, Cork, Ireland

Författare

Emma Skoog

Chalmers, Biologi och bioteknik, Industriell bioteknik

Biobased adipic acid – The challenge of developing the production host

Biotechnology Advances,; Vol. 36(2018)p. 2248-2263

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Adipic acid tolerance screening for potential adipic acid production hosts

Microbial Cell Factories,; Vol. 16(2017)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Skoog, E., Ferone, M., Punchalee, M., Mapelli, V., Olsson, L. ATP levels and membrane lipid composition give insights to the difference in adipic acid tolerance in Candida viswanathii and Saccharomyces cerevisiae

För att minska vår klimatpåverkan måste samhället ställa om till en biobaserad ekonomi. I den biobaserade ekonomin, ersätter förnyelsebara råvaror de fossila för en mer hållbar produktion av de bränslen och kemikalier som vi behöver. I Sverige har vi en mycket god tillgång till skogsbiomassa som är en viktig resurs för att utveckla Sveriges bioekonomi. Uppgradering av biomassa till värdefull slutprodukt sker i ett bioraffinaderi där mikroorganismer kan utnyttjas som katalysatorer för den biokemiska omvandlingen. En efterfrågad produkt från biomassa är adipinsyra som används för produktion av nylon och som idag framställs från fossila råvaror. Mikrobiell framställning av adipinsyra från biomassa är idag möjlig men resultaten som rapporterats är långt ifrån industriellt relevanta.

I min avhandling undersöker jag möjligheten att designa mikroorganismer, genom att uttrycka nya enzymer, för produktion av adipinsyra från biomassa. Jag utvärderar och diskuterar alternativ föreslagna i litteraturen, för mikrobiell omvandling av glukos till adipinsyra. En av de föreslagna vägarna är att omvandla glukos till adipinsyra via aminosyran lysin. Produktion av lysin är naturligt förekommande hos många mikroorganismer och utförs i industriell skala. Utmaningen med denna väg är att flertalet av de biokemiska reaktioner som krävs innefattar enzym som ännu inte identifierats. I avhandlingen ger jag förslag på alternativa vägar från lysin till adipinsyra med färre antal biokemiska reaktioner som utförs av hittills ej identifierade enzym. Jag ger även förslag på hur två kända enzym; Oye1 och NemA, kan designas för att kunna utföra en av de eftertraktade biokemiska reaktionerna där det ännu inte finns något känt enzym identifierat.

Vid industriell produktion av adipinsyra krävs det att den biobaserade processen når höga koncentrationer av adipinsyra (50–100 g/L) för att den ekonomiskt ska kunna konkurrera med den fossila produktionen. Vidare är det fördelaktigt om processen kan utföras vid ett lågt pH (lägre än 5) då det förenklar uppreningen av adipinsyra i nedströmsprocesser och minskar den totala produktionskostnaden. I mitt arbete undersökte jag därför olika mikroorganismers förmåga att växa vid industriellt relevanta processförhållanden. Jästen Candida viswanathii identifierades som mikroorganismen med bäst potential att klara en hög koncentration av adipinsyra vid ett lågt pH. Från en jämförande studie med den mycket välkända jästen Saccharomyces cerevisiae visade det sig att skillnader i cellmembranet, där C. viswanathii har ett tjockare och potentiellt tätare packat membran än S. cerevisiae, kan vara en anledning till dess goda tolerans till adipinsyra.

Sammantaget ger min forskning en god grund för fortsatt utveckling av biobaserad produktion av adipinsyra med hjälp av mikroorganismer och därmed ett steg närmre omställningen till en biobaserad ekonomi.

Förädling av inhemska förnybara råvaror till värdefulla bulk- och finkemikalier för en biobaserad samhällsekonomi: teknikutveckling, systemintegration och miljöeffekter (BioBuF)

Formas, 2013-06-17 -- 2018-12-31.

Västra Götalandsregionen, Regionutvecklingssekretariatet, 2013-11-01 -- 2018-10-31.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Cellbiologi

Biokemikalier

Biokemi och molekylärbiologi

Biofysik

Mikrobiologi

Biokatalys och enzymteknik

Styrkeområden

Livsvetenskaper och teknik (2010-2018)

ISBN

978-91-7905-128-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4595

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KA-salen, Kemigården 4

Opponent: PhD John Morrissey, University College Cork, Cork, Ireland

Mer information

Senast uppdaterat

2019-05-10