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.

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 son travail, qui offre une méthode viable pour surmonter l'un des principaux obstacles à la commercialisation des biocarburants lignocellulosiques - la toxicité de l'acétate pour les microbes en fermentation tels que la levure.

"C'est la première approche pour 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. Un affilié de l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique, Jin a dirigé la recherche avec Liang Sun, étudiant diplômé de l'époque, le premier auteur de l'article.

Leur méthodologie a pleinement utilisé le xylose et l'acétate des parois cellulaires du panic raide, transformer l'acétate d'un sous-produit indésirable en un substrat précieux qui a augmenté l'efficacité de la levure à convertir les sucres dans les hydrosolats.

"Nous avons compris que nous pouvons utiliser ce qui est considéré comme toxique, substance inutile comme source de carbone supplémentaire avec le xylose pour produire économiquement des produits chimiques fins" tels que l'acide triacétique lactone, ou TAL, et de la vitamine A, qui sont dérivés de la même molécule précurseur, acétyl coenzyme A, dit Jin.

Le TAL est un produit chimique de plate-forme polyvalent actuellement obtenu par raffinage du pétrole et utilisé pour produire des plastiques et des ingrédients alimentaires, dit Soleil, actuellement étudiant postdoctoral à l'Université du Wisconsin, Madison.

Dans des travaux antérieurs, co-auteur Soo Rin Kim, puis membre de l'Energy Biosciences Institute, ont 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, Corée du Sud.

Dans l'étude actuelle, 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 a rapidement converti le glucose en éthanol, diminuer 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, " dit Sun. " Le xylose a soutenu la croissance cellulaire et a fourni suffisamment d'énergie pour l'assimilation de l'acétate. Par conséquent, la levure pourrait métaboliser l'acétate comme substrat très efficacement pour produire beaucoup de TAL."

À la fois, le niveau de pH du milieu a augmenté au fur et à mesure que l'acétate était métabolisé, qui à son tour a favorisé la consommation de xylose par la levure, dit Soleil.

Lorsqu'ils ont analysé l'expression du gène de S. cerevisiae par séquençage d'ARN, 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, dit Soleil.

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 taux 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 - la conversion de l'acétate en acétyl-CoA, rapprocher la production de TAL, dit Soleil.

"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 signalée précédemment en utilisant S. cerevisiae modifié, " a déclaré Sun. " Nous avons également utilisé cette stratégie pour la production de vitamine A, démontrer son potentiel de surproduction d'autres bioproduits à haute valeur ajoutée dérivés de l'acétyl-CoA, comme les stéroïdes et les flavonoïdes."

Parce que le procédé 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, " Sun a déclaré. "Nous devons utiliser pleinement ces ressources inexploitées pour construire un avenir durable. 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 l'instant, nous faisons juste de petites choses pour nous assurer que cela se produise progressivement."