Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
Deze studie toont aan dat het combineren van reverse engineering van de *ptsG*- en *rbsR*-genen met rationele overexpressie van xylosemetabolisme-operons in de thermofiele bacterie *Parageobacillus thermoglucosidasius* effectief koolstofcatabole repressie overwint, wat efficiënte glucose-xylose co-utilisatie mogelijk maakt en de lactaatopbrengsten in bioreactorfermentaties aanzienlijk verhoogt.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Stel je een wereld voor waarin de brandstof voor onze fabrieken niet komt van voedselgewassen zoals maïs of suikerriet, maar van de taaie, vezelige restproducten van planten: de stengels van tarwe, de rijstkafjes en de houtsnippers die overblijven na het kappen van bomen. Dit materiaal, bekend als lignocellulose, is overvloedig aanwezig en concurreert niet met onze voedselvoorraad, wat het een droombron maakt voor het creëren van duurzame plastics en chemicaliën. Het omzetten van dit taaie plantaardige materiaal in nuttige producten is echter moeilijk. Wanneer wetenschappers deze vezels afbreken, laten ze een mengsel van twee belangrijke suikers vrij: glucose en xylose. Terwijl veel microben glucose gemakkelijk kunnen eten, negeren ze xylose vaak en wachten ze tot de glucose op is voordat ze zelfs maar aan de tweede suiker beginnen. Dit wachtspel vertraagt de productie en verspilt tijd. Om dit op te lossen, zoeken onderzoekers naar microben die beide suikers tegelijkertijd kunnen eten, vooral microben die gedijen in hete omgevingen waar de afbraak van plantenvezels het meest efficiënt verloopt.
Een team van onderzoekers zette zich scharpe om een hitte-minnende bacterie genaamd Parageobacillus thermoglucosidasius te modificeren om deze voorkeur bij het eten te overwinnen. Deze microbe is al een sterke kandidaat voor industrieel gebruik omdat hij het beste groeit bij temperaturen tussen 60 en 65 graden Celsius, wat overeenkomt met de hitte die nodig is om plantenvezels af te breken. De wetenschappers wilden de interne instructies van de bacterie herprogrammeren zodat deze glucose en xylose samen consumeert, in plaats van na elkaar. Ze begonnen door te kijken naar een eerder experiment waarbij de bacteriën natuurlijk waren geëvolueerd om beide suikers te eten wanneer ze daartoe werden gedwongen. Door de genetische veranderingen in die geëvolueerde bacteriën te bestuderen, identificeerde het team twee specifieke mutaties die verantwoordelijk leken te zijn voor dit nieuwe gedrag. Eén mutatie veranderde een eiwit dat de cel helpt glucose te grijpen, en de andere verwijderde een genetische "rem" die de cel normaal gesproken tegenhoudt om transporteiwitten voor andere suikers aan te maken.
De onderzoekers bouwden vervolgens deze exacte veranderingen in een standaardversie van de bacterie om te zien of ze het verbeterde gedrag konden reproduceren. Ze creëerden drie nieuwe stammen: één met het gewijzigde glucose-grijpende eiwit, één met de verwijderde rem, en één met beide veranderingen gecombineerd. Ze probeerden ook een andere aanpak, waarbij ze de bacteriën dwongen om constant de machines te produceren die nodig zijn om xylose te eten, ongeacht de aanwezigheid van andere suikers. Toen ze deze nieuwe stammen in gecontroleerde omgevingen testten, toonden de resultaten aan dat de genetische veranderingen werkten, maar op verschillende manieren. De stam met het gewijzigde glucose-eiwit at beide suikers met een vergelijkbare snelheid. De stam met de verwijderde rem at ook beide suikers samen, hoewel deze er in totaal langzamer mee groeide. De stam met beide veranderingen gecombineerd gedroeg zich verrassend genoeg zo dat deze zelfs een voorkeur kreeg voor xylose boven glucose, een volledige omkering van de normale volgorde.
Om te begrijpen waarom deze veranderingen plaatsvonden, keken het team in de cellen om te zien welke eiwitten er werden geproduceerd. Ze ontdekten dat de mutaties ervoor zorgden dat de bacteriën stopten met het onderdrukken van de genen voor het eten van xylose, waardoor de cel de nodige hulpmiddelen kon produceren om xylose te consumeren, zelfs terwijl glucose nog aanwezig was. De stam met de verwijderde rem vertoonde een significante daling in de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het grijpen van glucose, wat waarschijnlijk de consumptie van die suiker vertraagde zodat xylose tegelijkertijd gegeten kon worden. De onderzoekers testten ook hoe goed deze bacteriën melkzuur konden produceren, een chemische stof die wordt gebruikt om biologisch afbreekbare plastics te maken, uit een mengsel van de twee suikers. De gemodificeerde stammen presteerden beter dan de oorspronkelijke, ongemodificeerde bacteriën. De stam met de verwijderde rem produceerde de hoogste hoeveelheid melkzuur in verhouding tot de geconsumeerde suiker, met een opbrengst van 72,76 procent, vergeleken met 56,76 procent voor de oorspronkelijke stam. Een andere stam, die werd gedwongen om constant de xylose-etende machines te produceren, liet ook sterke resultaten zien met een opbrengst van 63 procent.
De studie suggereert dat hoewel het simpelweg dwingen van de bacteriën om meer xylose-etende hulpmiddelen te produceren hielp, de meest effectieve manier om ze beide suikers tegelijkertijd te laten eten, het was om te veranderen hoe ze glucose waarnemen en consumeren. Door de inname van de voorkeurssuiker te vertragen, waren de bacteriën in staat om toegang te krijgen tot de tweede suiker veel eerder. Deze aanpak stelde het team in staat om een microbiële fabriek te creëren die efficiënter werkt op plantaardige reststromen. De bevindingen wijzen erop dat het mogelijk is, door kleine, specifieke veranderingen aan te brengen in het genetische code van de bacteriën, het volledige potentieel van plantaardige grondstoffen te ontsluiten en een complex mengsel van suikers om te zetten in waardevolle producten zonder de lange vertragingen die worden veroorzaakt door de natuurlijke eetgewoonten van de bacteriën. Het werk biedt een duidelijk pad voor het verbeteren van hoe we hernieuwbare bronnen gebruiken om de materialen van de toekomst te bouwen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.