Development of Bacterial Platforms for Upgrading of Technical Lignins
Salmela, Milla (2020)
Salmela, Milla
Tampere University
2020
Tekniikan ja luonnontieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2020-10-02
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1674-7
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1674-7
Tiivistelmä
Maatalouden ja metsänjalostuksen toimesta muodostuva lignoselluloosa tarjoaa edullisen ja kestävän raaka-aineen biopolttoaineiden ja kemikaalien tuotantoon. Mikro-organismit, kuten eräät bakteerit, kykenevät hyödyntämään monimutkaisia substraattiseoksia tehden niistä mielenkiintoisen vaihtoehdon lignoselluloosan biokatalyysille. Lisäksi mikrobikantojen muokkauksella voidaan parantaa teollisesti merkittävien tuotteiden biosynteesiä. Ligniinin hankalasti hajotettava rakenne ja toksisten yhdisteiden läsnäolo on kuitenkin tuottanut haasteista sen perinteiselle bioprosessoineille.
Tässä väitöskirjassa tutkittiin bakteereihin perustuvaa ligniinin ja lignoselluloosan muuntamista arvotuotteiksi. Työssä kehitettiin molekulaarinen työkalu ligniinijohdannaisten aromaattisten yhdisteiden monitorointiin bioprosesseista, joissa käytetään teknisiä ligniiniliemiä. Työkalu perustuu vasta-aineisiin, jotka pystyvät tunnistamaan kohdemolekyylinsä korkealla spesifisyydellä monimutkaisista matriiseista, kuten teknisestä ligniinistä. Luonnollisten ja suunniteltujen biosynteettisten tuotteiden valmistuspotentiaali lignoselluloosaan liittyvistä substraateista todennettiin metabolisesti joustavalla ja kestävällä Acinetobacter baylyi ADP1 nimisellä bakteerialustalla. Substraattipreferenssit ja toleranssi valittuja ligniinijohdannaisia aromaattisia happoja kohtaan profiloitiin. Teollisuuden kannalta olennaisia keskipitkiä- ja pitkiä hiiliyhdisteitä, kuten vahoja (C34), alkaaneja (C17) ja αolefiineja (C11) tuotettiin runsaista, mutta haasteellisista materiaaleista, kuten aromaattisista hapoista, puuperäisestä teknisestä ligniinistä ja selluloosasta sekä vähemmän haasteellisista materiaaleista kuten glukoosista, asetaatista ja laktaatista. Tuotteet valmistettiin hyödyntämällä ADP1:n luonnollisia kataboliareittejä ja lipidituotannon aineenvaihduntareittejä. Suunnitellut tuotteet (alkaa(ee)nit) valmistettiin muokkaamalla ADP1:n luonnollista rasvahappometaboliaa. α-olefiinit ovat teollisuuden kannalta mielenkiintoisia tuotteita, sillä niistä voidaan valmistaa poly-α-olefiineja (C33) katalyyttisten oligomerisaatio reaktioiden avulla.
Näiden lisäksi substraatti- ja tuoteskaalaa laajennettiin käyttämällä useampaa bakteerilajia, jolloin anaerobisten bakteerien fermentaatiometabolia (Clostridium) saatiin yhdistettyä geneettisesti muokatun aerobisen bakteerin biosynteettisiin aineenvaihduntareitteihin (ADP1). Tässä lähestymistavassa Clostridium lajin sekä ADP1:n käyttö mahdollistivat selluloosan hydrolyysin, vetykaasun (H2) tuoton sekä α-olefiinien tai vahojen tuoton.
Työssä luotiin todiste bakteerialustan periaatteesta teknisen ligniinin hyödyntämisessä. Tulevaisuudessa tuotantotehokkuuksia tulee parantaa esimerkiksi aineenvaihduntareittien ja bioprosessien optimoimisella ja nostattamalla toleranssia erilaisia inhiboivia aineita kohtaan.
Tässä väitöskirjassa tutkittiin bakteereihin perustuvaa ligniinin ja lignoselluloosan muuntamista arvotuotteiksi. Työssä kehitettiin molekulaarinen työkalu ligniinijohdannaisten aromaattisten yhdisteiden monitorointiin bioprosesseista, joissa käytetään teknisiä ligniiniliemiä. Työkalu perustuu vasta-aineisiin, jotka pystyvät tunnistamaan kohdemolekyylinsä korkealla spesifisyydellä monimutkaisista matriiseista, kuten teknisestä ligniinistä. Luonnollisten ja suunniteltujen biosynteettisten tuotteiden valmistuspotentiaali lignoselluloosaan liittyvistä substraateista todennettiin metabolisesti joustavalla ja kestävällä Acinetobacter baylyi ADP1 nimisellä bakteerialustalla. Substraattipreferenssit ja toleranssi valittuja ligniinijohdannaisia aromaattisia happoja kohtaan profiloitiin. Teollisuuden kannalta olennaisia keskipitkiä- ja pitkiä hiiliyhdisteitä, kuten vahoja (C34), alkaaneja (C17) ja αolefiineja (C11) tuotettiin runsaista, mutta haasteellisista materiaaleista, kuten aromaattisista hapoista, puuperäisestä teknisestä ligniinistä ja selluloosasta sekä vähemmän haasteellisista materiaaleista kuten glukoosista, asetaatista ja laktaatista. Tuotteet valmistettiin hyödyntämällä ADP1:n luonnollisia kataboliareittejä ja lipidituotannon aineenvaihduntareittejä. Suunnitellut tuotteet (alkaa(ee)nit) valmistettiin muokkaamalla ADP1:n luonnollista rasvahappometaboliaa. α-olefiinit ovat teollisuuden kannalta mielenkiintoisia tuotteita, sillä niistä voidaan valmistaa poly-α-olefiineja (C33) katalyyttisten oligomerisaatio reaktioiden avulla.
Näiden lisäksi substraatti- ja tuoteskaalaa laajennettiin käyttämällä useampaa bakteerilajia, jolloin anaerobisten bakteerien fermentaatiometabolia (Clostridium) saatiin yhdistettyä geneettisesti muokatun aerobisen bakteerin biosynteettisiin aineenvaihduntareitteihin (ADP1). Tässä lähestymistavassa Clostridium lajin sekä ADP1:n käyttö mahdollistivat selluloosan hydrolyysin, vetykaasun (H2) tuoton sekä α-olefiinien tai vahojen tuoton.
Työssä luotiin todiste bakteerialustan periaatteesta teknisen ligniinin hyödyntämisessä. Tulevaisuudessa tuotantotehokkuuksia tulee parantaa esimerkiksi aineenvaihduntareittien ja bioprosessien optimoimisella ja nostattamalla toleranssia erilaisia inhiboivia aineita kohtaan.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4891]