Metaanin ja metanolin hyödyntäminen geenimuokatuilla bakteereilla
Tiihonen, Tatu (2022)
Tiihonen, Tatu
2022
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-05-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205175028
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205175028
Tiivistelmä
Bakteerifermentaation avulla hiiltä sisältäviä raaka-aineita voidaan jalostaa erilaisiksi korkeamman arvon hiiliyhdisteiksi. Metaani ja metanoli ovat lupaavia yksihiilisiä fermentaation raaka-aineita niiden laajan saatavuuden ja matalahkon hinnan ansiosta. Tässä kandidaatintyössä selvitetään kirjallisuuskatsauksena, mitä aineenvaihduntareittejä metaania ja metanolia aineenvaihdunnassaan hyödyntävät bakteerit käyttävät, miten näitä reittejä voidaan muokata geenimuokkaustekniikoita käyttäen yhä tehokkaimmiksi ja minkä tyyppisiä lopputuotteita bakteerien avulla voitaisiin näistä raaka-aineista tuottaa. Lisäksi työssä tutkitaan, minkälaisia tuotantoprosesseja metaania ja metanolia hyödynnettäessä voidaan käyttää ja mitä haasteita ja mahdollisuuksia niiden biologiseen jalostukseen liittyy.
Metaania hiili- ja energianlähteenään hyödyntävät bakteerit eli metanotrofit kykenevät hapettamaan sen metanoliksi ja edelleen formaldehydiksi, joka sitoutuu bakteerien aineenvaihduntaan RuMP-syklissä (ribuloosimonofosfaattisykli). Metanolia hyödyntävillä bakteereilla eli metylotrofeilla metanolin sisältämä hiili saadaan sidottua aineenvaihduntaan vastaavan syklin avulla. RuMP-sykliin sekä metaanin ja metanolin hapettamiseen tarvitaan metano- ja metylotrofeille ominaisia entsyymejä, joista tärkeimmät ovat MMO, MDH, HPS ja PHI. Luonnollisia metano- ja metylotrofeja voidaan muokata kohti teollista potentiaalia siirtämällä niille halutun yhdisteen tuottamiseksi vaadittavien aineenvaihduntareittien entsyymejä koodaavia geenejä. Luonnollisten metano- ja metylotrofien yhdisteiden tuotantokyky on geenimuokkausmahdollisuuksien rajallisuuden vuoksi vielä pientä, mistä johtuen on kehitetty synteettisiä metano- ja metylotrofeja siirtämällä metaaniin ja metanoliin liittyviä aineenvaihduntareittejä biotekniikassa paljon tutkituille ja geneettisesti tunnetuille isäntäbakteereille, kuten Escherichia coli -kannoille. Erityisen haastavaa on tuottaa formaldehydin sitojamolekyyliä ribuloosi-5-fosfaattia vain metaanista tai metanolista, minkä takia synteettisten metano- ja metylotrofien hiililähteenä on jouduttu käyttämään niiden lisäksi erilaisia sokeriyhdisteitä.
Bioreaktorin lämpötilaa, pH:ta ja metaani- sekä metanolipitoisuutta on seurattava jatkuvasti, jotta bakteerien kasvu olisi mahdollisimman tehokasta. Kaasumaisten raaka-aineiden liukeneminen bioreaktorin nestemäisen kasvumediumiin on ollut hyvin haastavaa toteuttaa, ja se on siksi olennaisessa osassa prosessin tehostamisen kannalta. Käytetyn metaanin ja hapen liukenemisen parantamiseksi voidaan käyttää esimerkiksi kuplakolonni-, biofilmi- tai jatkuvatoimista sekoitussäiliöreaktoria. Tuotetut yhdisteet ovat pääasiassa olleet korkean arvon aminohappoja ja muita orgaanisia yhdisteitä, mutta myös polttoaineiden ja lipidien tuottamista metaanista ja metanolista on tutkittu ja kehitetty.
Metaania hiili- ja energianlähteenään hyödyntävät bakteerit eli metanotrofit kykenevät hapettamaan sen metanoliksi ja edelleen formaldehydiksi, joka sitoutuu bakteerien aineenvaihduntaan RuMP-syklissä (ribuloosimonofosfaattisykli). Metanolia hyödyntävillä bakteereilla eli metylotrofeilla metanolin sisältämä hiili saadaan sidottua aineenvaihduntaan vastaavan syklin avulla. RuMP-sykliin sekä metaanin ja metanolin hapettamiseen tarvitaan metano- ja metylotrofeille ominaisia entsyymejä, joista tärkeimmät ovat MMO, MDH, HPS ja PHI. Luonnollisia metano- ja metylotrofeja voidaan muokata kohti teollista potentiaalia siirtämällä niille halutun yhdisteen tuottamiseksi vaadittavien aineenvaihduntareittien entsyymejä koodaavia geenejä. Luonnollisten metano- ja metylotrofien yhdisteiden tuotantokyky on geenimuokkausmahdollisuuksien rajallisuuden vuoksi vielä pientä, mistä johtuen on kehitetty synteettisiä metano- ja metylotrofeja siirtämällä metaaniin ja metanoliin liittyviä aineenvaihduntareittejä biotekniikassa paljon tutkituille ja geneettisesti tunnetuille isäntäbakteereille, kuten Escherichia coli -kannoille. Erityisen haastavaa on tuottaa formaldehydin sitojamolekyyliä ribuloosi-5-fosfaattia vain metaanista tai metanolista, minkä takia synteettisten metano- ja metylotrofien hiililähteenä on jouduttu käyttämään niiden lisäksi erilaisia sokeriyhdisteitä.
Bioreaktorin lämpötilaa, pH:ta ja metaani- sekä metanolipitoisuutta on seurattava jatkuvasti, jotta bakteerien kasvu olisi mahdollisimman tehokasta. Kaasumaisten raaka-aineiden liukeneminen bioreaktorin nestemäisen kasvumediumiin on ollut hyvin haastavaa toteuttaa, ja se on siksi olennaisessa osassa prosessin tehostamisen kannalta. Käytetyn metaanin ja hapen liukenemisen parantamiseksi voidaan käyttää esimerkiksi kuplakolonni-, biofilmi- tai jatkuvatoimista sekoitussäiliöreaktoria. Tuotetut yhdisteet ovat pääasiassa olleet korkean arvon aminohappoja ja muita orgaanisia yhdisteitä, mutta myös polttoaineiden ja lipidien tuottamista metaanista ja metanolista on tutkittu ja kehitetty.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]