Un nuovo sistema produttivo genera preziosi acidi organici dalle piante, permettendo di risparmiare denaro ed emissioni.

3 Ottobre 2023

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a cura di Julie Wurth, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign

In una svolta per la produzione chimica rispettosa dell'ambiente, i ricercatori del Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) hanno sviluppato un metodo economico per produrre acido succinico, una sostanza chimica industriale importante, dalla canna da zucchero.

Il team di ricercatori dell'Università dell'Illinois e dell'Università di Princeton ha creato una pipeline completa e conveniente per questo prezioso acido organico, ingegnerizzando un lievito resistente agli acidi come agente di fermentazione, evitando costose fasi di lavorazione. L'acido succinico è un additivo ampiamente utilizzato per alimenti e bevande e ha diverse applicazioni in prodotti agricoli e farmaceutici.

Questa stessa pipeline può essere utilizzata per produrre altri acidi organici di importanza industriale, obiettivo del lavoro di CABBI per sviluppare biocarburanti e prodotti chimici sostenibili da colture, ha detto l'autore Huimin Zhao, leader del tema Conversione di CABBI e professore di Ingegneria Chimica e Biomolecolare (ChBE) all'Università dell'Illinois. Per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, i ricercatori di Conversione stanno utilizzando microrganismi per convertire la biomassa vegetale in sostanze chimiche utilizzate nei prodotti di tutti i giorni come alternativa alla produzione convenzionale a base di petrolio.

'Questo servirà da modello per tutti gli altri prodotti di ingegneria metabolica di CABBI', ha detto Zhao, uno dei principali investigatori di CABBI nel progetto.

Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications e il lavoro si basa su anni di ricerca sulla produzione di acido succinico da parte di Zhao e dei suoi colleghi utilizzando Issatchenkia orientalis, un lievito non convenzionale ideale per la produzione di acidi organici.

I. orientalis ha la capacità unica di prosperare in condizioni a basso pH o acide. La maggior parte degli organismi richiede un ambiente a pH neutro per sopravvivere, incluso Saccharomyces cerevisiae, un lievito più convenzionale, o Escherichia coli. Entrambi sono stati utilizzati da aziende e laboratori per produrre acido succinico ma si sono rivelati troppo costosi, quindi gli sforzi per aumentare la produzione sono falliti, ha detto Zhao.

Questi microrganismi richiedono l'aggiunta di una base per neutralizzare le condizioni acide tossiche in modo che possano continuare a produrre acido succinico. Ma ciò genera un effetto collaterale, come gesso o solfato di calcio, che devono essere separati alla fine della pipeline per purificare il prodotto, aumentando i costi di lavorazione a valle.

'Uno degli ostacoli nella produzione di acidi organici è il costo della separazione', ha detto Zhao. 'Dobbiamo aggiungere molta base per mantenere il pH vicino alla neutralità, tra 6 e 7.'

Tuttavia, con I. orientalis, 'l'organismo vive felicemente a un pH tra 3 e 4', quindi gli additivi non sono necessari, ha detto Zhao. 'Alla fine, ciò riduce significativamente i costi'.

I ricercatori di CABBI hanno anche condotto un'ampia ingegneria metabolica per ridirezionare I. orientalis nella produzione di elevate quantità di acido succinico, superiore sia a S. cerevisiae che a E. coli, ha detto Zhao. Utilizzando l'analisi del flusso metabolico dal laboratorio di Rabinowitz, hanno identificato le fasi nel metabolismo del lievito che limitavano la produzione di acido succinico. Uno degli ostacoli principali: l'I. orientalis nativo non può utilizzare il saccarosio dalla canna da zucchero. Quindi è stato aggiunto un enzima che poteva scomporre il saccarosio dal succo di canna da zucchero in glucosio e fruttosio per produrre acido succinico. Altri geni sono stati introdotti per sovraprodurre l'acido succinico.

In collaborazione con il gruppo di Singh presso l'IBRL, il team ha poi aumentato la produzione di acido succinico utilizzando attrezzature industrialmente rilevanti per condurre una integrazione completa del processo. Il lavoro su scala pilota ha mostrato che i nuovi ceppi potevano produrre fino a 110 g/L di acido succinico e, dopo la fermentazione batch e la lavorazione a valle, un rendimento complessivo del 64% - risultati impressionanti di significato commerciale, ha detto Singh.

La combinazione di livelli di produzione più elevati attraverso l'ingegneria genetica e costi inferiori mediante l'eliminazione della separazione a valle rende il processo 'molto interessante', ha detto Zhao. 'Ecco perché la pipeline è così economica, almeno a questa scala pilota'.

Il passo finale è stato lavorare con Guest per simulare una pipeline completa di produzione di acido succinico a basso pH utilizzando la piattaforma software open-source BioSTEAM sviluppata dal suo gruppo. L'analisi tecnico-economica (ATE) e la valutazione del ciclo di vita hanno mostrato che il processo era economicamente valido e poteva ridurre le emissioni di gas a effetto serra dal 34% al 90% rispetto ai processi di produzione basati su combustibili fossili.

'These advancements in metabolic engineering could have large-scale benefits, simultaneously driving down costs and environmental impacts in support of a circular bioeconomy,' Guest said.

The process emits less carbon dioxide (CO2) than conventional petroleum-based chemical processing. Plants like sugarcane also soak up carbon, and CO2 can be used as a substrate for the process, further reducing its carbon footprint.

'It's definitely more environmentally friendly. That's the premise for all the research in CABBI: using renewable resources to make chemicals and fuels,' Zhao said.

Researchers plan further scale-up studies soon to support commercialization of the succinic acid production process.

The work will also be a template for production of other CABBI products using I. orientalis, including 3-hydroxypropionic acid (3-HP). The market for 3-HP, used in components of disposable diapers and sealants, exceeds $1 billion, and research to date shows huge promise, Zhao said.

'We expect I. orientalis can serve as a general industrial platform for the production of a wide variety of organic acids,' said Vinh Tran, primary author on the paper and a Ph.D. student in ChBE.

The project involved several lab groups and contributions from all three themes of CABBI's research—using sugarcane juice from the Feedstock Production research team, metabolic research and bioprocessing facilities from the Conversion team, and economic and environmental analysis from the Sustainability team.

Co-authors included CABBI researchers Sarang Bhagwat of CEE and Yihui Shen of the Department of Chemistry at Princeton; Somesh Mishra of ABE; Saman Shafaei, Shih-I Tan, Zia Fatma, and Benjamin Crosly of ChBE; and Jayne Allen of CEE.

Journal information: Nature Communications

Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign