Um método mais ecológico e sustentável de produção do produto químico útil 1, 2, 4-butanotriol foi descoberto. A equipe da Universidade de Kobe foi a primeira no mundo a utilizar um método envolvendo a fermentação direta de xilose na palha de arroz usando uma cepa de levedura projetada para produzir 1, 2, 4-butanotriol. No decorrer da realização desta pesquisa, a equipe superou com sucesso dois gargalos para maximizar a produção.

A pesquisa foi conduzida pelo Pesquisador Acadêmico Takahiro Bamba e Professor Akihiko Kondo (da Escola de Graduação em Ciências, Tecnologia e Inovação), e a Professora Tomohisa Hasunuma (do Centro de Pesquisa em Biologia e Engenharia).

1, 2, Usos do 4-butanotriol e métodos de produção atuais:

O produto químico 1, 2, O 4-butanotriol tem uma ampla variedade de usos práticos em diferentes campos. Por exemplo, pode ser utilizado na produção de solventes e para sintetizar vários produtos farmacêuticos - como medicamentos antivirais e para baixar o colesterol, entre outros.

Métodos atuais de produção de 1, 2, O 4-butanotriol utiliza matéria-prima derivada do petróleo e resulta em subprodutos prejudiciais ao meio ambiente. A forma mais comum de produzir o produto químico é usando borohidreto de sódio (NaBH ₄ ) para reduzir quimicamente o ácido málico para 1, 2, 4-butanotriol. No entanto, o processo gera uma grande quantidade de sais de borato. O descarte desses sais causa poluição. Cromita e rubídio também podem ser usados ​​como catalisadores para 1, 2, Produção de 4-butanotriol, no entanto, esses métodos requerem alta temperatura e alta pressão, e também resultam em subprodutos tóxicos.

Derivar a xilose (o segundo açúcar natural mais abundante) da biomassa lignocelulósica (matéria seca da planta) e usá-la para produzir produtos químicos oferece múltiplas vantagens, pois é um recurso renovável que causa muito menos poluição ambiental. Ele fornece uma alternativa sustentável para a produção baseada no petróleo.

Metodologia

Conforme mostrado na Figura 1, 1, 2, O 4-butanotriol é produzido por micróbios por meio de um processo de reação de 5 estágios dentro das células.

No entanto, nas etapas 1, 3 e 4 da reação, não havia enzimas para fornecer um catalisador na levedura. Neste estudo, hidrolisado de palha de arroz foi usado para produzir xilose. A levedura usada foi geneticamente modificada com as enzimas necessárias para produzir com sucesso um rendimento eficiente de 1, 2, 4-butanotriol.

No primeiro teste bem-sucedido, apenas 0,02g / L de 1, 2, Foi produzido 4-butanotriol. Ao examinar esses resultados, tornou-se aparente que havia atividades catalíticas insuficientes para o estágio 3 e estágio 4 dentro das células de levedura. Isso significa que a reação foi desacelerada nos estágios 3 e 4. Essas reações foram consideradas gargalos.

Com a presença de aglomerados de enxofre de ferro dentro da estrutura do catalisador de xilonato desidratase no estágio 3, ficou claro que era difícil para a levedura manter uma reação com a proteína ferro-enxofre nas células. Isso era devido a uma quantidade insuficiente de aglomerados de ferro e enxofre nas células de levedura.

Ferro (Fe) é essencial para as células de levedura produzirem 1, 2, 4-butanotriol, entretanto, muito ferro danifica as células. A engenharia metabólica (otimizando processos regulatórios e genéticos dentro das células para aumentar a produção de uma determinada substância) foi utilizada para modificar geneticamente a levedura a fim de aumentar seu metabolismo de ferro. Isso melhorou a reatividade da levedura com a xilonato desidratase e garantiu a formação de enzimas Fe-S funcionais (Figura 2). O uso desta cepa de levedura modificada melhorou a atividade catalítica em aproximadamente 6 vezes.

Além disso, o gargalo do estágio 4 foi superado usando KdcA (derivado de Lactococcus lactis uma bactéria comumente usada para fermentação na indústria de alimentos) como a descarboxilase para fornecer atividade catalítica suficiente.

Resultados

Em última análise, este método teve sucesso na produção de 1,7g / L de 1, 2, 4-butanotriol quando a levedura modificada foi usada. Além disso, 1,1 g / L de 1, 2, O 4-butanotriol foi produzido pela solução de hidrolisado de palha de arroz que foi usada como meio durante o experimento de fermentação (Figura 3).

Esta pesquisa sugere que seria possível produzir outros produtos químicos que requerem proteínas de enxofre de ferro usando um método semelhante. A otimização da via metabólica neste estudo por meio de pesquisas futuras permitiria uma maior produção de compostos úteis a partir da biomassa lignocelulósica. Isso poderia reduzir potencialmente a dependência futura de recursos finitos de petróleo e métodos de produção poluentes.