Una nuova pipeline produce prezioso acido organico dalle piante, risparmiando denaro ed emissioni

Il team di ricercatori dell’Università dell’Illinois e dell’Università di Princeton ha creato una pipeline end-to-end economicamente vantaggiosa per questo prezioso acido organico, progettando un lievito resistente e resistente agli acidi come agente di fermentazione, evitando passaggi costosi nella lavorazione a valle. L’acido succinico è un additivo ampiamente utilizzato per alimenti e bevande e ha diverse applicazioni nei prodotti agricoli e farmaceutici.

Questa stessa pipeline può essere utilizzata per produrre altri acidi organici importanti a livello industriale presi di mira dal CABBI nel suo lavoro per sviluppare biocarburanti e prodotti biochimici sostenibili dalle colture, ha affermato il coautore Huimin Zhao, leader del tema di conversione del CABBI e professore di ingegneria chimica e biomolecolare (ChBE) presso Illinois. Per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, i ricercatori di Conversion stanno impiegando microbi per convertire la biomassa vegetale in sostanze chimiche utilizzate nei prodotti di uso quotidiano come alternativa alla produzione convenzionale a base di petrolio.

“Questo servirà da modello per tutti gli altri prodotti di ingegneria metabolica del CABBI”, ha affermato Zhao, uno dei numerosi ricercatori principali del progetto CABBI. Altri investigatori privati ​​includevano Vijay Singh, vicedirettore per la scienza e la tecnologia del CABBI, professore eminente e fondatore di ingegneria agricola e biologica (ABE) e direttore esecutivo del laboratorio di ricerca sui bioprocessi integrati (IBRL) presso l’Illinois; Jeremy Guest, Professore Associato di Ingegneria Civile e Ambientale (CEE) presso l’Illinois e parte del Tema Sostenibilità del CABBI; e il vice leader del tema Conversione Joshua Rabinowitz, professore di chimica e del Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics di Princeton.

Lo studio, pubblicato in Comunicazioni sulla natura, è guidato da CABBI – un centro di ricerca sulla bioenergia del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti – e finanziato da BioMADE, un istituto di innovazione manifatturiera con oltre 230 organizzazioni membri in tutto il paese, tra cui aziende, università e organizzazioni no-profit. BioMADE è stato promosso dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e lavora per garantire il futuro dell’America attraverso l’innovazione, l’istruzione e la collaborazione nella produzione bioindustriale.

Il lavoro si basa su anni di ricerca sulla produzione di acido succinico da parte di Zhao e dei suoi colleghi Issatchenkia orientalis, un lievito non convenzionale ideale per produrre acidi organici.

I. orientalis ha la capacità unica di prosperare in condizioni a basso pH o acide. La maggior parte degli organismi richiede un ambiente a pH neutro per sopravvivere, incluso Saccharomyces cerevisiaeun lievito più convenzionale, o Escherichia coli batteri. Entrambi sono stati utilizzati da aziende e laboratori per produrre acido succinico, ma si sono rivelati troppo costosi, quindi gli sforzi per aumentare la produzione sono falliti, ha affermato Zhao.

Questi microrganismi richiedono l’aggiunta di una base per neutralizzare le condizioni acide tossiche in modo che possano continuare a produrre acido succinico. Ma questo genera prodotti collaterali, come il gesso o il solfato di calcio, che devono essere separati alla fine della tubazione per purificare il prodotto, facendo aumentare i costi di lavorazione a valle.

“Uno dei colli di bottiglia nella produzione di acidi organici è il costo di separazione”, ha affermato Zhao. “Dobbiamo aggiungere molta base per mantenere il pH vicino alla neutralità, tra 6 e 7.”

Con I. orientalis, tuttavia, “l’organismo vive felicemente a un pH compreso tra 3 e 4”, quindi gli additivi non sono necessari, ha detto Zhao. “Alla fine, ciò riduce significativamente i costi.”

I ricercatori del CABBI hanno anche effettuato un’ampia ingegneria metabolica per ricablare I. orientalis per produrre livelli robusti di acido succinico – superiori a entrambi S. cerevisiae O Escherichia coli, Egli ha detto. Utilizzando l’analisi del flusso metabolico del laboratorio di Rabinowitz, hanno identificato le fasi del metabolismo del lievito che limitavano la produzione di acido succinico. Un ostacolo chiave: nativo I. orientalis non è possibile utilizzare il saccarosio della canna da zucchero. Quindi è stato aggiunto un enzima in grado di scomporre il saccarosio del succo di canna da zucchero in glucosio e fruttosio per produrre acido succinico. Altri geni furono introdotti per produrre una sovrapproduzione di acido succinico.

Lavorando con il gruppo di Singh all’IBRL, il team ha poi aumentato la produzione di acido succinico utilizzando apparecchiature rilevanti a livello industriale per condurre un’integrazione end-to-end del processo. Il lavoro su scala pilota ha dimostrato che i nuovi ceppi potrebbero produrre fino a 110 g/L di acido succinico e, dopo la fermentazione batch e la lavorazione a valle, una resa complessiva del 64%: risultati impressionanti che hanno un significato commerciale, ha affermato Singh.

La combinazione di livelli di produzione più elevati attraverso l’ingegneria genetica e costi inferiori derivanti dall’eliminazione della separazione a valle rende il processo “molto attraente”, ha affermato Zhao. “Ecco perché il gasdotto è così economico, almeno su questa scala pilota.”

Il passo finale è stato lavorare con Guest per simulare una pipeline completa di produzione di acido succinico end-to-end a basso pH, utilizzando la piattaforma software open source BioSTEAM sviluppata dal suo gruppo. L’analisi tecnico-economica (TEA) e la valutazione del ciclo di vita hanno dimostrato che il processo era finanziariamente sostenibile e poteva ridurre le emissioni di gas serra dal 34% al 90% rispetto ai processi di produzione basati sui combustibili fossili.

“Questi progressi nell’ingegneria metabolica potrebbero avere benefici su larga scala, riducendo contemporaneamente i costi e gli impatti ambientali a sostegno di una bioeconomia circolare”, ha affermato Guest.

Il processo emette meno anidride carbonica (CO₂) rispetto ai trattamenti chimici convenzionali a base di petrolio. Anche piante come la canna da zucchero assorbono carbonio e CO₂ può essere utilizzato come substrato per il processo, riducendo ulteriormente l’impronta di carbonio.

“È decisamente più rispettoso dell’ambiente. Questa è la premessa per tutta la ricerca nel CABBI: utilizzare risorse rinnovabili per produrre prodotti chimici e combustibili”, ha affermato Zhao.

I ricercatori pianificano presto ulteriori studi su larga scala per supportare la commercializzazione del processo di produzione dell’acido succinico.

Il lavoro servirà anche da modello per la produzione di altri prodotti CABBI I. orientalis, compreso l’acido 3-idrossipropionico (3-HP). Il mercato del 3-HP, utilizzato nei componenti di pannolini e sigillanti usa e getta, supera il miliardo di dollari e le ricerche fino ad oggi mostrano enormi promesse, ha affermato Zhao.

“Ci aspettiamo che I. orientalis può servire come piattaforma industriale generale per la produzione di un’ampia varietà di acidi organici”, ha affermato Vinh Tran, autore principale dell’articolo e dottorando presso ChBE.

Il progetto ha coinvolto diversi gruppi di laboratorio e contributi provenienti da tutti e tre i temi della ricerca di CABBI: utilizzando il succo di canna da zucchero del team di ricerca sulla produzione di materie prime, la ricerca metabolica e le strutture di biotrattamento del team di conversione e l’analisi economica e ambientale del team di sostenibilità.

Tra i coautori figurano i ricercatori del CABBI Sarang Bhagwat del CEE e Yihui Shen del Dipartimento di Chimica di Princeton; Somesh Mishra dell’ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma e Benjamin Crosly di ChBE; e Jayne Allen della CEE.