デザイナー酵母が砂糖を儲かる化学物質 3-HP に変える

科学者たちは、極小の耐酸性酵母を使用し、バイオマニュファクチャリングを通じて紙おむつ、マイクロプラスチック、アクリル絵の具をより持続可能にする費用対効果の高い方法を実証しました。

これらの日用品の重要な成分はアクリル酸です。アクリル酸は、紙おむつに吸収性を与え、水性塗料やシーラントの耐候性を高め、生地の耐汚染性を高め、肥料や土壌処理を強化する重要な工業用化学物質です。

アクリル酸は、3-ヒドロキシプロパン酸 (3-HP) と呼ばれる前駆体から変換されます。この前駆体は、エネルギーを大量に消費するプロセスである化学合成によって、ほぼ石油のみから製造されます。しかし、3-HP は、人工微生物を使用して植物の糖を発酵させてこの高価値の化学物質にすることにより、再生可能な植物材料から生産することもできます。しかし、これまでのところ、バイオ製造プロセスは収益性を証明していません。

新しい研究で、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校とペンシルベニア州立大学の科学者らは、費用対効果の高いバイオベースの3-HP製造法を開発し、この有利な市場における商業的可能性を検証した。

彼らの新しい論文は、 ネイチャーコミュニケーションズ は、3-HP 生産用の Issatchenkia orientalis 酵母の高収量株の開発と、その商業的実行可能性と環境上の利点を実証した広範な技術経済分析およびライフサイクル評価について報告しています。

科学者たちは全員、米国エネルギー省 (DOE) のバイオエネルギー研究センターである高度バイオエネルギーおよびバイオ製品イノベーション センター (CABBI) の一員です。

「酵母からこの化学物質を高レベルで生産することは、アクリル酸生産への道を提供し、農業経済を大幅に押し上げる可能性がある」と、この研究の筆頭著者であり、イリノイ大学化学・生体分子工学科（ChBE）およびカール・R・ウーゼゲノム生物学研究所（IGB）の教授であり、CABBI変換テーマリーダーのホイミン・ジャオ氏は述べた。

DOE によると、3-HP の商業的可能性は非常に大きく、アクリル酸市場だけでも 200 億ドルと推定され、2019 年の世界需要は約 660 万トンです。また、3-HP は他の貴重な工業用化学薬品に変換できます。

BASFやカーギルのような大企業から小規模なバイオテクノロジー企業に至るまで、商業生産者は数十年にわたり、さまざまな細菌や酵母を使用したバイオベースの3-HP生産に取り組んできたと趙氏は述べた。問題は、グルコースなどの所定量の基質から生成される 3-HP の量 (収率) と濃度 (力価) の両方が非常に低いままであることです。

CABBI の科学者たちは、いくつかの方法でこの課題に取り組みました。彼らは、発酵プロセスに I. orientalis を選択しました。この酵母は、低 pH の酸性環境で増殖し、他の有機酸の生産に使用されてきました。これにより、中性のより高い pH 環境を必要とする他の酵母や細菌に必要なコストのかかる手順が排除され、処理が簡素化されました。

研究チームはまた、以前に I. orientalis 用に開発した遺伝子ツールボックスを使用して、酵母での 3-HP 生産を促進する独自の代謝工学戦略を採用しました。まず、研究者らは、ベータアラニンとして知られる遺伝経路を最適な標的として特定しました。ペンシルベニア州立大学の化学工学教授コスタス・マラナスによるゲノムスケールのモデリングは、理論収量が最高であり、必要な酸素が最小限であることを示しました。

次に、研究者らは、効率を大幅に向上させる、ベータアラニン経路から生産性の高い 3 つの遺伝子変異体を発見しました。共著者で、Zhao の研究室の研究コーディネーターである Teresa Martin は、PAND として知られる 3-HP 生合成における活性酵素を発見しました。 Zhao研究室の博士研究員であり、この研究の筆頭著者であるHarry (Shih-I) Tan氏は、PAND酵素の複数のコピーをI. orientalisの新株に組み込み、3-HPの生産を増加させた。次に、チームは他の新しい工学戦略を適用して、力価と収量をさらに増加させました。

研究者らは、研究室レベルの発酵（酵母菌に7日間に分けて糖を与える）にスケールアップし、消費したグルコース1グラムあたり3-HPの総収量（0.7 g/g）または70％である0.7グラムの3-HPと、1リットルあたり92グラムの3-HPの力価を達成した。その結果は、以前の研究で示された商業的実現可能性の閾値を超えました。

「私たちの知る限り、私たちの研究は、すべての遺伝子操作された細菌および酵母宿主の中で、3-HP 生産に関して報告された収量と力価が最も高いことを示しています」と Zhao 氏は述べました。

イリノイ大学土木環境工学部のジェレミー・ゲスト教授とサラン・バグワット博士研究員は、CABBI を通じて開発された BioSTEAM ソフトウェアを使用して、新しいプロセスを使用して 3-HP を生産し、それをアクリル酸にアップグレードするバイオ製造施設をシミュレーションし、技術経済分析 (TEA) とライフサイクル評価 (LCA) を通じてその経済的実現可能性と環境上の利点を評価しました。彼らの研究は、このプロセスがバイオベースのアクリル酸生産において経済的に実行可能であることを示しました。

「この研究により、I. orientalis が費用対効果の高い 3 馬力生産のための次世代プラットフォームとして確立され、産業上の商業化への道が開かれます」と Zhao 氏は述べています。

研究者らは現在、イリノイ州の他のCABBI科学者と協力して、プロセスの規模を拡大し、下流の処理を統合し、経済的な実現可能性を高めるために他の再生可能原料を組み込んでいる。

一方、CABBI の研究者は、植物から付加価値のある化学物質を生成するというセンターの使命の一環として、他の 3 馬力アプリケーションにも取り組んでいます。ウィスコンシン大学マディソン校の化学生物学工学教授であるジョージ・フーバー氏は、この研究で得た 3-HP ブロスを合理化された化学プロセスに組み込んで、ビタミンやその他の医薬品、生分解性プラスチック、農薬の製造に使用される重要な工業用化学物質であるマロン酸に変換しています。

この研究の他の CABBI 共著者には、ペンシルベニア州立大学のパトリック・サザース氏が含まれます。 ChBE と IGB の Vinh Tran、Wuying Tang、Zia Fatma 氏。