Forschern ist es weltweit zum ersten Mal gelungen, chemisch synthetisierten Zucker in der Bioproduktion einzusetzen

Die biologische Herstellung unter Verwendung von Biomassezuckern wie Mais aus der Landwirtschaft zieht als umweltfreundliche Technologie die Aufmerksamkeit auf sich. Allerdings ist das Angebot an solchen konventionellen Biomassezuckern im Verhältnis zur enormen Nachfrage für die Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Produkten begrenzt, was zu Bedenken hinsichtlich der Konkurrenz mit Lebensmitteln aufgrund der Ausweitung der industriellen Nutzung führt.

In einer kürzlich in der Zeitschrift ChemBioChem veröffentlichten Studie haben Forscher der Universität Osaka zusammen mit Kooperationspartnern eine innovative Bioproduktionstechnologie entwickelt, die chemisch synthetisierte nicht natürliche Zucker als Rohstoff verwendet, um das oben genannte Problem zu lösen. Mit Hilfe von Bakterien(Corynebacterium glutamicum, C. glutamicum) ist es ihnen gelungen, Laktat durch Fermentation herzustellen, wobei synthetische Zuckerlösungen als einziges Substrat verwendet wurden. Dies ist der weltweit erste Fall, in dem die Bioproduktion mit synthetischem Zucker als Rohstoff durchgeführt wurde. Diese Errungenschaft wird die Beschaffung von nachhaltigem Rohzucker ermöglichen, der nicht mit Lebensmitteln konkurriert, und dürfte die biologische Herstellung weiter ausbauen.

Seit der industriellen Revolution ist der Klimawandel, der durch die übermäßige Nutzung fossiler Brennstoffe und die daraus resultierenden Treibhausgasemissionen verursacht wird, eine globale Herausforderung des 21. Jahrhunderts. Bioproduktion wird als ein wirksames Mittel zur Lösung dieser Probleme angesehen, und ihre Umsetzung wird aktiv gefördert. Die Produktion des Hauptrohstoffs (Biomasse der 1. Generation) in der gegenwärtigen Bioproduktion stützt sich auf landwirtschaftliche Verfahren wie den Maisanbau. Es besteht jedoch die Sorge, dass das Angebot an Biomasse der 1. Generation mit Nahrungsmitteln konkurrieren könnte, da es die enorme Nachfrage nach der Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Produkten nicht decken kann. Darüber hinaus hat die Produktion von Zucker durch großflächige Landwirtschaft negative Aspekte wie Flächenverbrauch, massiver Verbrauch von erschöpfbaren Ressourcen wie Süßwasser, Stickstoff und Phosphor, Wasserverschmutzung durch Eutrophierung und Verlust der Artenvielfalt.

Die Forschungsgruppe forscht an chemisch synthetisiertem Zucker, der nicht von der Landwirtschaft abhängig ist, und an der Anwendung des gewonnenen Zuckers in Bioprozessen. Die chemische Zuckersynthese hat viele Vorteile, wie z. B. (1) eine extrem hohe Syntheserate (mindestens mehrere hundert Mal schneller als landwirtschaftliche Verfahren), (2) weniger Wasserverbrauch (etwa 1/1300 der landwirtschaftlichen Verfahren), (3) weniger Landverbrauch (etwa 1/600 der landwirtschaftlichen Verfahren) und (4) kein Bedarf an Nährstoffen wie Phosphor und Stickstoff. Bei chemisch synthetisierten Zuckern handelt es sich jedoch um Mischungen, die viele Verbindungen mit Strukturen enthalten, die in der Natur nicht vorkommen. Daher gibt es bei der Verwendung synthetischer, nicht natürlicher Zuckerlösungen für Bioprozesse Probleme, wie z. B. das Vorhandensein von Faktoren, die das Wachstum von Bakterien hemmen.

In dieser Studie etablierte die Forschungsgruppe eine stabile Kultivierungsmethode mit chemisch synthetisiertem Zucker als Substrat, wobei C. glutamicum als Modellbakterium verwendet wurde. Sie identifizierten auch wachstumshemmende Faktoren in der synthetischen Zuckerlösung und zeigten, dass sie durch eine sekundäre katalytische Behandlung entfernt werden können. Darüber hinaus gelang es ihnen durch Fermentation unter sauerstofflimitierten Bedingungen, Laktat mit einer synthetischen Zuckerlösung als einzigem Substrat zu produzieren, obwohl diese in der Natur nicht vorkommen. Dies ist weltweit der erste Fall, in dem die Bioproduktion mit einem landwirtschaftlich unabhängigen synthetischen Zucker als Substrat durchgeführt wurde. Laktat wird über Pyruvat hergestellt, das am Ende eines Stoffwechselweges namens Glykolyse steht. Das bedeutet, dass diese Methode in großem Umfang und allgemein auf die Bioproduktion über Glykolyse angewendet werden kann.

Die Ergebnisse dieser Forschung haben gezeigt, dass chemisch synthetisierter Zucker als neuer Rohstoff für die biologische Herstellung verwendet werden kann. Es wird erwartet, dass die Verwendung von chemisch synthetisiertem Zucker, der mit hoher Geschwindigkeit und vor Ort hergestellt werden kann, die Probleme der Rohstoffversorgung bei der biologischen Herstellung, wie z. B. die Konkurrenz mit Nahrungsmitteln, die regionale Abhängigkeit und die großflächige Nutzung erschöpfbarer Ressourcen, lösen wird und einen Wendepunkt in diesem Bereich darstellen wird.

ORIGINALVERÖFFENTLICHUNG

Hiro Tabata, Hiroaki Nishijima, Yuki Yamada, Rika Miyake, Keisuke Yamamoto, Souichiro Kato, Shuji Nakanishi; “Microbial Biomanufacturing Using Chemically Synthesized Non‐Natural Sugars as the Substrate”; ChemBioChem, Volume 25, 2023-12-19

Source

Chemie.de, 2024-02-21.

Supplier

ChemBioChem
Green Earth Institute
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
Osaka University

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