Une équipe de scientifiques de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign a développé un bioprocédé utilisant de la levure modifiée qui a complètement et efficacement converti la matière végétale constituée d’acétate et de xylose en bioproduits de grande valeur.
La lignocellulose, la matière ligneuse qui donne leur structure aux cellules végétales, est la matière première la plus abondante sur Terre et a longtemps été considérée comme une source d’énergie renouvelable. Il contient principalement de l’acétate et les sucres glucose et xylose, qui sont tous libérés lors de la décomposition.
Dans un article publié en Communication Nature, l’équipe a décrit ses travaux, qui offrent une méthode viable pour surmonter l’un des principaux obstacles entravant la commercialisation des biocarburants lignocellulosiques – la toxicité de l’acétate pour les microbes en fermentation tels que la levure.
“Il s’agit de la première approche à démontrer l’utilisation efficace et complète du xylose et de l’acétate pour la production de biocarburant”, a déclaré Yong-Su Jin, professeur de science alimentaire et de nutrition humaine. Filiale de l’Institut Carl R. Woese de biologie génomique, Jin a dirigé la recherche avec l’étudiant diplômé de l’époque, Liang Sun, le premier auteur de l’article.
Le professeur de sciences alimentaires et de nutrition humaine Yong-Su Jin a dirigé une équipe qui a développé une méthodologie pour convertir efficacement l’hémicellulose du panic raide en bioproduits de grande valeur à l’aide d’une levure modifiée et de l’acétate et du xylose des parois cellulaires des plantes. Crédit : Photo par L. Brian Stauffer
Leur méthodologie a pleinement utilisé le xylose et l’acétate des parois cellulaires du panic raide, transformant l’acétate d’un sous-produit indésirable en un substrat précieux qui a stimulé l’efficacité de la levure à convertir les sucres dans les hydrosolats.
« Nous avons compris que nous pouvions utiliser ce qui était considéré comme une substance toxique et inutile comme source de carbone supplémentaire avec le xylose pour produire de manière économique des produits chimiques fins » tels que le triacétique acide la lactone, ou TAL, et la vitamine A, qui sont dérivées de la même molécule précurseur, l’acétyl coenzyme A, a déclaré Jin.
L’ancien élève de l’Université d’I. Liang Sun a été le premier auteur de l’étude, publiée dans Nature Communications. Crédit : UIUC
Le TAL est un produit chimique de plate-forme polyvalent actuellement obtenu en raffinant le pétrole et utilisé pour produire des plastiques et des ingrédients alimentaires, a déclaré Sun, actuellement étudiant postdoctoral à l’Université du Wisconsin, Madison.
Dans des travaux antérieurs, le co-auteur Soo Rin Kim, alors membre de l’Energy Biosciences Institute, a conçu une souche de levure Saccharomyces cerevisiae pour consommer le xylose rapidement et efficacement. Kim est actuellement membre du corps professoral de l’Université nationale de Kyungpook, en Corée du Sud.
Dans la présente étude, ils ont utilisé du panic raide récolté à l’U. of I. Energy Farm pour créer des hydrolysats d’hémicellulose. Les cellules de levure modifiées ont été utilisées pour fermenter le glucose, le xylose et l’acétate dans les hydrosalats.
Lorsque le glucose et l’acétate ont été fournis ensemble, S. cerevisiae convertit rapidement le glucose en éthanol, diminuant le niveau de pH de la culture cellulaire. Cependant, la consommation d’acétate a été fortement inhibée, rendant la culture toxique pour les cellules de levure dans des conditions de faible pH.
Lorsque le xylose a été fourni avec de l’acétate, “ces deux sources de carbone ont formé des synergies qui ont favorisé un métabolisme efficace des deux composés”, a déclaré Sun. « Le xylose a soutenu la croissance cellulaire et fourni suffisamment d’énergie pour l’assimilation de l’acétate. Par conséquent, la levure pourrait métaboliser l’acétate en tant que substrat très efficacement pour produire beaucoup de TAL.
Dans le même temps, le niveau de pH du milieu a augmenté à mesure que l’acétate était métabolisé, ce qui a favorisé la consommation de xylose par la levure, a déclaré Sun.
Quand ils ont analysé S. cerevisiae l’expression des gènes par ARN séquençage, ils ont découvert que les gènes clés impliqués dans l’absorption et le métabolisme de l’acétate étaient considérablement régulés à la hausse par le xylose par rapport au glucose, a déclaré Sun.
Les cellules de levure qui ont été nourries à la fois d’acétate et de xylose ont accumulé une plus grande biomasse, ainsi que des augmentations de 48 % et 45 % de leurs niveaux de lipides et d’ergostérol, respectivement. L’ergostérol est une hormone fongique qui joue un rôle important dans l’adaptation au stress pendant la fermentation.
La co-utilisation d’acétate et de xylose a également augmenté l’approvisionnement de la levure en acétyl-CoA, une molécule précurseur d’ergostérol et de lipides, et a fourni un raccourci métabolique – convertissant l’acétate en acétyl-CoA, rapprochant ainsi la production de TAL, a déclaré Sun.
« En co-utilisant le xylose et l’acétate comme sources de carbone, nous avons été en mesure d’améliorer considérablement la production de TAL – une production 14 fois supérieure à celle précédemment rapportée en utilisant des S. cerevisiae», a déclaré Sun. “Nous avons également utilisé cette stratégie pour la production de vitamine A, démontrant son potentiel de surproduction d’autres bioproduits de grande valeur dérivés de l’acétyl-CoA, tels que les stéroïdes et les flavonoïdes.”
Parce que le processus a utilisé à fond les sources de carbone dans la biomasse lignocellulosique, Jin et Sun ont déclaré qu’il peut être intégré de manière transparente dans les bioraffineries cellulosiques.
“Il s’agit de la durabilité de notre société”, a déclaré Sun. “Nous devons utiliser pleinement ces ressources inexploitées pour construire un avenir durable. Nous espérons que dans 50 ou 100 ans, nous dépendrons principalement de ces matières premières renouvelables et abondantes pour produire l’énergie et les matériaux dont nous avons besoin pour notre vie quotidienne. C’est notre objectif. Mais pour le moment, nous ne faisons que de petites choses pour nous assurer que cela se produise progressivement. »
Référence : « Conversion complète et efficace de l’hémicellulose de la paroi cellulaire en bioproduits à haute valeur ajoutée par la levure modifiée » par Liang Sun, Jae Won Lee, Sangdo Yook, Stephan Lane, Ziqiao Sun, Soo Rin Kim et Yong-Su Jin, 17 août 2021 , Communication Nature.
DOI : 10.1038 / s41467-021-25241-y
Les autres co-auteurs de l’étude étaient Stephan Lane, directeur de la biofonderie à l’Institute for Sustainability, Energy, and Environment de l’U. of I ; l’étudiant postdoctoral Jae Won Lee et l’étudiant diplômé Sangdo Yook, tous deux de l’U. of I.; et Ziqiao Sun, un étudiant diplômé de l’Université Cornell.
Le travail a été soutenu par le US Department of Energy Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation à l’U. of I.
