Une méthode plus écologique et durable de production du produit chimique utile 1, 2, Le 4-butanetriol a été découvert. L'équipe de l'Université de Kobe a été la première au monde à utiliser une méthode impliquant la fermentation directe du xylose dans la paille de riz à l'aide d'une souche de levure modifiée pour produire 1, 2, 4-butanetriol. Au cours de cette recherche, l'équipe a surmonté avec succès deux goulots d'étranglement pour maximiser la production.

La recherche a été menée par le chercheur universitaire Takahiro Bamba et le professeur Akihiko Kondo (de la Graduate School of Science, technologie et innovation), et le professeur Tomohisa Hasunuma (du Engineering Biology Research Center).

1, 2, Utilisations du 4-butanetriol et méthodes de production actuelles :

Le produit chimique 1, 2, Le 4-butanetriol a une grande variété d'utilisations pratiques dans différents domaines. Par exemple, il peut être utilisé dans la production de solvants et pour synthétiser divers produits pharmaceutiques, tels que des médicaments antiviraux et hypocholestérolémiants, entre autres.

Méthodes actuelles de production 1, 2, Le 4-butanetriol utilise des matières premières dérivées du pétrole et génère des sous-produits nocifs pour l'environnement. La façon la plus courante de produire le produit chimique est d'utiliser du borohydrure de sodium (NaBH 4 ) pour réduire chimiquement l'acide malique à 1, 2, 4-butanetriol. Cependant, le procédé génère une grande quantité de sels de borate. L'élimination de ces sels provoque une pollution. La chromite et le rubidium peuvent également être utilisés comme catalyseurs pour 1, 2, production de 4-butanetriol, cependant ces méthodes nécessitent une température et une pression élevées, et entraînent également des sous-produits toxiques.

Tirer le xylose (le deuxième sucre naturel le plus abondant) de la biomasse lignocellulosique (matière végétale sèche) et l'utiliser pour produire des produits chimiques offre de multiples avantages car il s'agit d'une ressource renouvelable qui cause beaucoup moins de pollution environnementale. Il offre une alternative durable à la production à base de pétrole.

Méthodologie

Comme le montre la figure 1, 1, 2, Le 4-butanetriol est produit par des microbes à travers un processus de réaction en 5 étapes dans les cellules.

Cependant dans les étapes 1, 3 et 4 de la réaction, il n'y avait pas d'enzymes pour fournir un catalyseur dans la levure. Dans cette étude, l'hydrolysat de paille de riz a été utilisé pour produire du xylose. La levure utilisée a été génétiquement modifiée avec les enzymes requises afin de produire avec succès un rendement efficace de 1, 2, 4-butanetriol.

Lors du premier essai réussi, seulement 0,02g/L de 1, 2, 4-butanetriol a été produit. En examinant ces résultats, il est devenu évident qu'il y avait des activités catalytiques insuffisantes pour les stades 3 et 4 à l'intérieur des cellules de levure. Cela signifiait que la réaction était ralentie aux étapes 3 et 4. Ces réactions étaient considérées comme des goulots d'étranglement.

Avec la présence d'agrégats fer-soufre dans la structure du catalyseur de xylonate déshydratase à l'étape 3, il est devenu évident qu'il était difficile pour la levure de maintenir une réaction avec la protéine fer-soufre dans les cellules. Cela était dû à une quantité insuffisante d'amas de fer et de soufre dans les cellules de levure.

Le fer (Fe) est essentiel pour que les cellules de levure produisent 1, 2, 4-butanetriol, cependant trop de fer endommage les cellules. L'ingénierie métabolique (optimisation des processus réglementaires et génétiques au sein des cellules pour augmenter la production d'une substance particulière) a été utilisée pour modifier génétiquement davantage la levure afin d'augmenter son métabolisme du fer. Cela a amélioré la réactivité de la levure avec la xylonate déshydratase et a assuré la formation d'enzymes Fe-S fonctionnelles (Figure 2). L'utilisation de cette souche de levure modifiée a amélioré l'activité catalytique d'environ 6 fois.

Par ailleurs, le goulot d'étranglement de l'étape 4 a été surmonté en utilisant KdcA (dérivé de Lactococcus lactis - une bactérie couramment utilisée pour la fermentation dans l'industrie alimentaire) comme décarboxylase pour fournir une activité catalytique suffisante.

Résultats

Finalement, cette méthode a réussi à produire 1,7 g/L de 1, 2, 4-butanetriol lorsque la levure modifiée a été utilisée. En outre, 1,1 g/L de 1, 2, Le 4-butanetriol a été produit par la solution d'hydrolysat de paille de riz qui a été utilisée comme milieu pendant l'expérience de fermentation (figure 3).

Cette recherche suggère qu'il serait possible de produire d'autres produits chimiques qui nécessitent des protéines fer-soufre en utilisant une méthode similaire. L'optimisation de la voie métabolique dans cette étude grâce à des recherches supplémentaires permettrait une plus grande production de composés utiles à partir de la biomasse lignocellulosique. Cela pourrait potentiellement réduire la dépendance future vis-à-vis des ressources pétrolières limitées et des méthodes de production polluantes.