Ligniinin biokonversio bakteerisoluissa

Abstract

Kestävän biotalouden kehittäminen edellyttää tehokkaita menetelmiä uusiutuvien luonnonvarojen hyödyntämiseen. Ligniini on metsäteollisuuden merkittävä sivuvirta, mutta sen hyödyntäminen on kiinnostavaa erityisesti polymeerin korkean aromaattisuuden ja hiilipitoisuuden vuoksi. Ligniinin monimutkaisen rakenteen vuoksi sen hyödyntämisen mahdollisuudet ovat edelleen rajalliset, mutta korkeamman arvon lopputuotteiden monipuoliset mahdollisuudet ja merkittävät markkinat kiinnostavat bioteollisuudessa. Biologinen prosessi tarjoaisi ekologisemman ja reaktio-olosuhteiltaan paremman vaihtoehdon nykyään suosituille fysikaalisille ja kemiallisille tuotantoprosesseille. Bakteerit ovat ominaisuuksiltaan, kuten muokattavuudeltaan ja metaboliareiteiltään, sekä teollisuuteen soveltuvien prosessien toiminnan kannalta lupaavin vaihtoehto isäntäorganismiksi ligniinin prosessoinnissa.

Biologinen ligniinin hajotus monomeereiksi on jo laajasti tutkittua, ja siihen kykeneviä sieniä ja bakteereja tunnetaan paljon. Ligniinistä saatavien monomeerien biokonversiolla voidaan tuottaa korkeamman arvon tuotteita, kuten kemikaaleja ja monien polymeerien esiasteita. Biokonversion koko prosessiin liittyvä tutkimus on kuitenkin edelleen rajallista, ja erityisesti bakteerisolujen sisään metaboliareiteille suuntautuvan solukalvokuljetuksen tutkimuksessa on vielä merkittäviä aukkoja.

Työssä selvitettiin bakteerisoluille tyypillisimpiä ligniinin monomeerien kuljetukseen osallistuvia kuljetinproteiineja ja niiden mahdollista vaikutusta biokonversioprosessien tehokkuuteen. Bakteerisoluille tyypillisimpiä ligniinin monomeerien kuljetukseen soveltuvia mekanismeja ovat kuljetinproteiinit sekä diffuusio. Kuljetinproteiinien rakenteesta, toiminnasta ja geeniteknisistä muokkausmahdollisuuksista on vain rajallisesti tutkimustietoa, sillä sitä ei ole pidetty oleellisena. Myöskään diffuusion osuutta aromaattisten yhdisteiden kuljetuksessa ei ole tarkemmin määritetty, vaikka se voi olla merkittävä. Kuljetus vaikuttaa huomattavasti metaboliareittien toimintaan sekä lopputuotteen saantoon, joten aineiden kulkeutuminen on mahdollisesti yksi biokonversion reaktionopeutta rajoittava tekijä.

Yksinkertaistettujen metaboliareittien kautta kyettiin ymmärtämään lopputuotteiden tuotantoon vaikuttavia seikkoja. Metaboliareittejä on kyetty selvittämään ja muokkaamaan bakteereissa, mutta lopputuotteiden tehdasmittakaavan tuotantoon liittyvää tutkimusta puuttuu. Laboratorio-olosuhteissa on kuitenkin saatu hyviä saantoja erilaisille kemikaaleille, joten ligniinin biokonversiossa on potentiaalia tulevaisuuden metsä- ja kemikaaliteollisuuden kannalta. Kirjallisuuskatsauksen perusteella ligniinin biokonversio bakteerisoluissa vaikuttaa merkittävältä mahdollisuudelta, mutta vaatii lisätutkimusta ja tuotannon optimointia ollakseen ekonomisesti järkevää.