Brezilya’da yapılan bir çalışma, daha sağlam bir endüstriyel maya türünde metabolik mühendislik için yeni hedeflerin keşfine dayalı olarak ikinci nesil (2G) etanol üretiminin verimliliğini artırmanın yeni bir yolunu açıyor. Çalışmayla ilgili makale Scientific Reports dergisinde yayımlandı.
Yazarlar tarafından derlenen veritabanları, uluslararası işbirliği girişimi olan Dataverse Projesi üyesi olan Campinas Eyalet Üniversitesi (UNICAMP) deposunda bilimsel topluluğun kullanımına sunulmuştur.
Birinci nesil (1G) etanol, karbonhidratlar (sakkaroz gibi) açısından zengin kaynaklardan, özellikle de Brezilya örneğinde şeker kamışından üretilmektedir. Şeker kamışının işlenmesi, enerji santrallerinde buhar ve elektrik üretmek için kullanılabilen küspe gibi büyük miktarlarda lifli kalıntılar üretir. Bu kalıntılar, maya ve diğer mikroorganizmalar tarafından fermantasyon için daha küçük moleküllere dönüştürülerek 2G etanol üretmek için kullanılabilen selüloz ve hemiselüloz (bitki kök hücre duvarlarının mekanik gücünü koruyan polimerik karbonhidratlar) bakımından zengindir.
Selüloz ve hemiselülozun hidrolize edilmesi zor olduğundan, 2G etanol üretimindeki temel zorluk dönüşüm verimliliğidir. İlk adım, selüloz ve hemiselülozda bulunan basit şekerlerin maya tarafından kullanılabilir hale getirilmesi için temelde lif olan sert, lifli ligninin uzaklaştırılması olmalıdır. Bu işlem maliyetlidir, büyük miktarda enerji tüketir ve fermantasyon sürecini engelleyebilecek maddeler açığa çıkarır.
Makalenin son yazarı ve UNICAMP Moleküler Biyoloji ve Genetik Mühendisliği Merkezi (CBMEG) araştırmacısı Marcelo Mendes Brandão “2G etanol üretimi verimliliği artırmak için hala optimizasyon gerektiriyor. İhtiyaç duyulan yaklaşımlardan biri, bu kalıntıların işlenmesinden elde edilen inhibitör moleküller tarafından bozulmaya karşı direnç gösteren maya suşlarının tanımlanmasını gerektiriyor.” dedi.
“Bazı endüstriyel maya türlerinin bu bileşiklere karşı daha yüksek tolerans seviyelerine sahip olduğu bilinmektedir. İyi belgelenmiş bir örnek, selülozik komplekslerin ön işlemiyle üretilen inhibitörlere karşı yüksek direnç gösteren, yakıt etanolü için Brezilya’da üretilen endüstriyel bir tür olan Saccharomyces cerevisiae SA-1’dir. Çalışmamızın odak noktası bu türdür.”
Metodlar
Deneyler, São Paulo Üniversitesi Mühendislik Fakültesi (POLI-USP) Kimya Mühendisliği Bölümü’nde araştırmacı olan Thiago Olitta Basso’nun liderliğindeki laboratuvar ile Brandão’nun CBMEG-UNICAMP’taki laboratuvarını kapsayan bir işbirliği çerçevesinde, her ikisi de o sırada doktora adayı olan birinci ve ikinci yazarlar Felipe Eduardo Ciamponi ve Dielle Pierotti Procópio tarafından gerçekleştirildi.
Basso, “Bu çalışmayı 2G etanol araştırması bağlamına oturtmak gerekirse, bazı S. cerevisiae suşlarının bu inhibitörlere karşı dirençli olduğunu biliyorduk ancak bu direnci elde etmek için kullandıkları moleküler mekanizma karmaşıktır ve birden fazla süreç ve düzenleyici yol içerir” dedi. Çalışma, işlendikten sonra şeker kamışı küspesinde bulunan ana inhibitörlerden biri olan p-Kumarik asit (pCA) üzerine odaklandı. “Literatürde mevcut veriler, pCA’nın biyokütle verimini engellediğini ve bu maya türünün 2G etanol üretimindeki performansını düşürdüğünü göstermektedir.”
Araştırmacılar, mayanın kültür ortamına nasıl tepki verdiğini anlamak için, transkriptom analizini (organizma tarafından ifade edilen tüm haberci RNA -mRNA- molekülleri) nicel fizyolojik verilerle bütünleştirmek üzere biyoinformatik ile birlikte multiomik tabanlı bir yaklaşım kullanmaya karar verdiler. Amaçları, mayanın bu önemli inhibitöre verdiği tepkinin moleküler ve fizyolojik bir karakterizasyonuna ulaşmaktı.
Procópio ve Ciamponi, biyolojik deneyleri POLI-USP’nin BiyoProses Laboratuvarı’nda (BELA), fizyolojik ve kimyasal koşulların sıkı bir şekilde kontrol edildiği bir tür biyoreaktör olan kemostatlarda sürekli kültürleme yöntemini kullanarak gerçekleştirmiş ve bu sayede çevresel koşullardan etkilenen diğer değişkenlerin müdahalesi olmaksızın pCA’nın varlığına yanıt olarak ortaya çıkan transkriptomik değişiklikleri izole edebilmişlerdir.
Fizyolojik parametreleri belirlemek için pCA içeren ve içermeyen anaerobik kemostatlarda kültürlenen kararlı durumdaki S. cerevisiae SA-1 örnekleri toplanmıştır. Materyalin bir kısmı RNA dizilimi için Tayvan’a gönderilmiştir. CBMEG-UNICAMP’ın Bütünleştirici Sistem Biyolojisi Laboratuvarı’nda analiz edilen sonuçlar, maya suşunun bu inhibitörün etkisi altında hayatta kalmak için kullandığı biyolojik mekanizmaların daha önce düşünülenden daha karmaşık olduğunu gösterdi.
Kantitatif fizyolojik veriler, mayanın anaerobik koşullar altında (endüstriyel süreçle ilgili) pCA stresine maruz kaldığında şeker ve etanol verimini artırma eğiliminde olduğunu göstermiştir.
Brezilya, bitki dokusu ve lifinde olduğu gibi bir organizmanın bir kısmını dönüştürerek veya metabolitlerini yakalayarak inşa edilebilen, monte edilebilen veya üretilebilen tüketici malları olan biyo-ürünlerin üretiminde biyokütle verimini optimize etmek için olağanüstü biyoçeşitliliğinden yararlanma yolları üzerine araştırmalarda ilerleme kaydetmiştir. Brandão, “Brezilya ekonomisi üzerinde önemli etkisi olan yakıt etanolü üretimi buna bir örnektir” dedi. [1]Study paves way to more efficient production of 2G ethanol using specially modified yeast strain[2]Öne çıkan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
