Mikrobien laboratorioevoluutio - Saccharomyces cerevisiae ja etanolitoleranssi bioetanolin tuotannossa

Abstract

Mikrobien adaptiivinen laboratorioevoluutio eli ALE on tekniikka, jonka avulla mikro-organismien ominaisuuksia voidaan parantaa luonnollisen evoluution avulla. ALE:ssa mikro-organismit altistetaan vakiovalintapaineelle, jolloin luonnollinen evoluutio suosii mikro-organismin kelpoisuutta parantavia mutaatioita. ALE:n käyttöä on sovellettu yli 25 vuotta, jonka avulla on saatu tärkeää tietoa evoluution perusmekanismeista sekä adaptiivisista muutoksista luonnonvalintojen aikana. Saccharomyces cerevisiae eli leivinhiivana yleisemmin tunnettu eukaryootti on yksi merkittävimmistä mikro-organismeista ALE-tekniikassa ja tutkimuksissa sen fermentaatiokyvyn takia. S. cerevisiae pystyy fermentoimaan sokereita, jonka lopputuotteena syntyy etanolia ja hiilidioksidia. Vaikka etanoli on myrkyllinen yhdiste mikro-organismeille, ALE:n avulla voidaan saavuttaa S. cerevisiaen parantunut etanolin sietokyky.

Tässä kandidaatintyössä tarkasteltiin ALE-tekniikan periaatetta, menetelmiä ja soveltuvuutta S. cerevisiaen ominaisuuksien muokkaamiseen. Työn tavoitteena oli selvittää, mikä on ALE-tekniikka sekä mitä ovat sen edut ja rajoitteet, millaisia ominaisuuksia S. cerevisiaella on ja miksi se soveltuu hyvin ALE:n käyttöön, miten fermentaatiolla voidaan tuottaa bioetanolia, sekä millaisilla menetelmillä S. cerevisiaen etanolin sietokykyä voidaan parantaa ALE:n avulla.

Stressin sietokyvyn parantaminen, tuotantotehokkuuden lisääminen, substraatin edistynyt hyödyntäminen ja kasvunopeuden optimointi ovat ALE:n käyttötarkoituksia, joita voidaan hyödyntää eri biotekniikan sovelluksissa ja tutkimuksissa. ALE:ssa mikro-organismeja voidaan viljellä eri menetelmillä, joita ovat sarja-, kemostaatti- ja turbidostaattiviljely. Viljelyjen tavoitteena on parantaa mikro-organismin kelpoisuutta ja rikastuttaa haluttuja mutaatioita. ALE on riippuvainen mutaatioista ja sallii ei-intuitiivisten mutaatioiden tapahtumisen. Mutaatiot voivat olla hyödyllisiä, neutraaleja tai haitallisia, ja yleisin mutaatio ALE:ssa on yksittäisen nukleotidin vaihtuminen.

S. cerevisiae on monikäyttöinen hiiva tutkimuksissa ja bioteollisuudessa sen ominaisuuksien vuoksi. Sen merkittävimmät sovelluskohteet ovat elintarvike-, lääke- ja biopolttoaineteollisuus, jotka perustuvat pääosin fermentaatioon. Biopolttoaineteollisuudessa voidaan fermentoimalla tuottaa bioetanolia, joka on nestemäinen kaksihiilinen alkoholi ja maailmanlaajuisesti käytetyin liikennebiopolttoaine.

Tässä työssä tarkasteltiin tutkimuksia, joissa ALE:n avulla muokattiin S. cerevisiaen etanolin sietokykyä ja parannettiin sen tuotantotehokkuutta. Tutkimuksissa S. cerevisiae altistettiin etanolipitoisuuksista, lämpötilan vaihteluista, osmoottisesta paineesta sekä korkeista paineista johtuvalle stressille. S. cerevisiaen lisääntyneen etanolitoleranssin ansiosta sen selviytymisaste etanolipitoisuuksissa parani: 15 %:n etanolipitoisuudessa selviytymisaste oli 76,3 %. Tutkimuksissa S. cerevisiaen korkeimpia saatuja etanolin tuottopitoisuuksia olivat 98,67 g/l ja 135,96 g/l. Etanolin sietokykyä saatiin nostettua 7 g/l:sta 11,5 g/l:aan ja kelpoisuutta kasvatettua lähtökantaan verrattuna 5,46 %. Tutkimusten perusteella etanolin parantunut sietokyky voidaan saavuttaa ALE:n avulla altistamalla S. cerevisiae etanolipitoisuuksille. Tutkimusten tuloksissa havaittiin S. cerevisiaen parempi kelpoisuus, joka saavutettiin ALE-kokeiden avulla.