Poly-β-hydroksibutyraatin tuotanto Synechocystis-syanobakteereilla
Ovaska, Henna (2022)
Ovaska, Henna
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
2022-08-09
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202208016140
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202208016140
Tiivistelmä
Poly-β-hydroksibutyraatti (PHB) on biomuovi, jonka ominaisuudet ovat hyvin samankaltaiset kuin esimerkiksi raakaöljystä valmistetun, yleisesti pakkausmateriaalina käytetyn polypropeenin. Sadat eri gram-positiiviset ja -negatiiviset bakteerit sekä arkeonit tuottavat PHB:tä hiili- ja energiavarastoikseen glykogeenivarastojen rinnalle. Työn tavoitteena on tutkia PHB:n ominaisuuksia ja tuotantoa Synechocystis sp. PCC 6803 -syanobakteerikannan soluilla (tästä eteenpäin Synechocystis). Työssä tutkitaan erityisesti, miten PHB:n tuotantoa saataisiin lisättyä Synechocystis-soluilla optimoimalla kasvatusolosuhteita tai muokkaamalla soluja geneettisesti. Työssä pohditaan myös, miten PHB:tä saataisiin tuotettua Synechocystis-soluilla kaupallisesti kannattavasti ympäristö huomioiden.
Työn käsittely jakautuu kolmeen osaan. Ensimmäiseksi kerrotaan PHB:stä ja polyhydroksialkanoaateista (PHA). Seuraavaksi käsitellään Synechocystis-soluja ja niiden PHB:n tuotantoon liittyvää aineenvaihduntaa. Lopuksi tutkitaan, miten PHB:n tuotantoa voidaan optimoida Synechocystis-soluilla, käsitellään eri tapoja eristää PHB:tä ja pohditaan kaupallisen PHB:n tuotannon haasteita Synechocystis-soluilla.
PHA:t ovat veteen liukenemattomia polyestereitä, ja yksi eniten tutkituista PHA:ista on PHB. PHB:stä tekee mielenkiintoisen raaka-aineen muun muassa sen prosessoitavuus, hydrofobisuus ja biohajoavuus. Synechocystis-solut voivat fotoautotrofeina tuottaa PHB:tä luonnollisesti auringon säteilyenergian ja hiilidioksidin avulla, kun solut saavat rajoitetusti typpeä tai fosforia ympäristöstään. Parhaat PHB:n tuottavuudet on saatu, kun 50 % BG-11-kasvatuliuoksen typpeä sisältävistä yhdisteistä tai 20 % BG-11-kasvatuliuoksen fosforia sisältävistä yhdisteistä on jätetty kasvatusliuokseen.
PHB:n tuotantoa Synechocystis-soluilla voidaan kasvattaa lisäämällä solujen kasvatusliuokseen ylimääräisiä hiilen lähteitä, kuten glukoosia tai asetaattia, jolloin solut kasvavat fotoheterotrofisesti. Eniten PHB:tä on saatu tuotettua, kun glykolyysin säätelyyn osallistuva PirC-inhibiittoria koodaava geeni on hiljennetty Synechocystis-soluissa ja samalla PHB:n syntetisointiin osallistuvia entsyymejä koodaavia geenejä on liitetty Synechocystis-soluihin Cupriavidus necator -soluista. Tällöin PHB:tä saatiin tuotettua 63 % solujen kuivapainosta.
Vaikka PHB:n tuottavuutta Synechocystis-soluilla on saatu parannettua, se ei ole vielä lähelläkään kaupallisesti kannattavaa. Synechocystis-solujen PHB:n tuotanto on tapahtunut laajimmillaan laboratorion kokeellisessa fotobioreaktorissa, tuotanto on hidasta ja saannot yleisesti pieniä. PHB:n tuotanto Synechocystis-soluilla kestää yli kuukauden, kun heterotrofeilla PHB:tä pystytään tuottamaan kolmessa päivässä kaupallisesti kannattavasti. PHB:n tuotannon kasvattaminen ja kaupallistaminen Synechocystis-soluilla vaatii lisää tutkimusta, jotta tuotannosta saataisiin taloudellisesti kannattavaa ympäristö huomioiden.
Työn käsittely jakautuu kolmeen osaan. Ensimmäiseksi kerrotaan PHB:stä ja polyhydroksialkanoaateista (PHA). Seuraavaksi käsitellään Synechocystis-soluja ja niiden PHB:n tuotantoon liittyvää aineenvaihduntaa. Lopuksi tutkitaan, miten PHB:n tuotantoa voidaan optimoida Synechocystis-soluilla, käsitellään eri tapoja eristää PHB:tä ja pohditaan kaupallisen PHB:n tuotannon haasteita Synechocystis-soluilla.
PHA:t ovat veteen liukenemattomia polyestereitä, ja yksi eniten tutkituista PHA:ista on PHB. PHB:stä tekee mielenkiintoisen raaka-aineen muun muassa sen prosessoitavuus, hydrofobisuus ja biohajoavuus. Synechocystis-solut voivat fotoautotrofeina tuottaa PHB:tä luonnollisesti auringon säteilyenergian ja hiilidioksidin avulla, kun solut saavat rajoitetusti typpeä tai fosforia ympäristöstään. Parhaat PHB:n tuottavuudet on saatu, kun 50 % BG-11-kasvatuliuoksen typpeä sisältävistä yhdisteistä tai 20 % BG-11-kasvatuliuoksen fosforia sisältävistä yhdisteistä on jätetty kasvatusliuokseen.
PHB:n tuotantoa Synechocystis-soluilla voidaan kasvattaa lisäämällä solujen kasvatusliuokseen ylimääräisiä hiilen lähteitä, kuten glukoosia tai asetaattia, jolloin solut kasvavat fotoheterotrofisesti. Eniten PHB:tä on saatu tuotettua, kun glykolyysin säätelyyn osallistuva PirC-inhibiittoria koodaava geeni on hiljennetty Synechocystis-soluissa ja samalla PHB:n syntetisointiin osallistuvia entsyymejä koodaavia geenejä on liitetty Synechocystis-soluihin Cupriavidus necator -soluista. Tällöin PHB:tä saatiin tuotettua 63 % solujen kuivapainosta.
Vaikka PHB:n tuottavuutta Synechocystis-soluilla on saatu parannettua, se ei ole vielä lähelläkään kaupallisesti kannattavaa. Synechocystis-solujen PHB:n tuotanto on tapahtunut laajimmillaan laboratorion kokeellisessa fotobioreaktorissa, tuotanto on hidasta ja saannot yleisesti pieniä. PHB:n tuotanto Synechocystis-soluilla kestää yli kuukauden, kun heterotrofeilla PHB:tä pystytään tuottamaan kolmessa päivässä kaupallisesti kannattavasti. PHB:n tuotannon kasvattaminen ja kaupallistaminen Synechocystis-soluilla vaatii lisää tutkimusta, jotta tuotannosta saataisiin taloudellisesti kannattavaa ympäristö huomioiden.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8344]