Neueste Forschung: Was isst Hefe, um gut zu wachsen? Die Antwort ist „Holz“?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Hefe ist einer der bekanntesten Mikroorganismen in unserem Leben. Bäckerhefe wird zum Dämpfen von Brötchen und zum Backen von Brot verwendet, und Bierhefe wird zum Brauen von Bier verwendet. Darüber hinaus gibt es viele seltsame Hefen, beispielsweise Hefen, die Methanol „fressen“ und viel Eiweiß produzieren können (wie Pichia pastoris), und Hefen, die Xylose „fressen“ und wild wachsen (wie Hansenula polymorpha).

Werden in Zukunft neue Hefen mit mehr Funktionen hergestellt? Die Antwort der Wissenschaftler lautet: Natürlich!

Hefe ist eine Zellfabrik

Bevor wir verstehen, wie Wissenschaftler mehr neue Hefe „erschaffen“, wollen wir uns zunächst ansehen, wie Hefe „funktioniert“.

Obwohl sowohl Bäckerhefe als auch Bierhefe zur Kategorie der Brauhefe gehören, besteht die Besonderheit der Bäckerhefe darin, dass sie „Zucker frisst und Gas produziert“ . Das entstehende Kohlendioxid macht gedämpfte Brötchen oder Brot porös und weich; während die Besonderheit der Bierhefe darin besteht, dass sie „Zucker frisst und Alkohol produziert“. Natürlich entstehen auch in geringem Maße andere Aromakomponenten, die dem Wein somit eine abwechslungsreiche Geschmacksrichtung verleihen.

Trockenhefe (Bildquelle: Veer Gallery)

Nehmen wir das Beispiel der Bierhefe, die „Glukose isst, um Ethanol zu produzieren“. Wir können Hefe als Fabrik und Glukose als Rohstoff betrachten. Der Rohstoff wird in die Fabrik (also in die Hefezellen) transportiert, in verschiedenen „Werkstätten“ verarbeitet und Schritt für Schritt in die Produkte Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt.

Hefezellen (Bildquelle: Veer Library)

Die Hefen, die wir derzeit haben, sind vielfältig, aber wir möchten Hefen haben, die vielseitig und leistungsstark sind.

Wenn Sie mehr Hefearten haben möchten, liegt der Schlüssel darin, die „Fabrik“ umzugestalten. Die Lösung, die wissenschaftliche Forscher gefunden haben, ist die Genom-Editierung. Ändern Sie den Designplan der Hefefabrik (die genetische Sequenz der Hefezellen), um das Fabriklayout umzugestalten, und passen Sie dann die Anzahl und Funktion der „Werkstätten“ entsprechend dem neuen Plan an.

Die Genombearbeitung entspricht der Verwendung einer Schere mit eingebauter Navigationsfunktion. Es kann gemäß den menschlichen Einstellungen präzise eine Lücke an der entsprechenden Position des Hefechromosoms schneiden und die Lücke dann durch die Ziel-DNA-Sequenz reparieren, wodurch der Effekt der Genbearbeitung erzielt wird.

Gentechniker verändern Gene künstlich (Bildquelle: Veer Gallery)

Viele Wissenschaftler forschen an Hefe. So synthetisierte beispielsweise das Team von Professor Jay Keasling, Mitglied der US-amerikanischen National Academy of Sciences, durch die Modifizierung von Bierhefe Artemisinsäure, die Vorstufe des Malariamedikaments Artemisinin. Damit wurde ein wichtiger Beitrag zur weltweiten Malariabehandlung geleistet und bewiesen, dass Hefe viel leisten kann.

Hefe: Holen Sie sich etwas Glukose zum Essen

Die Hefe, die wir in den obigen Beispielen erwähnt haben, beginnt erst zu arbeiten, nachdem sie Glukose „gefressen“ hat, die ihre Lieblingsnahrung ist .

Allerdings stammt Glukose hauptsächlich aus der Nahrung, und wenn man Hefe Glukose gibt, bedeutet das, dass die Hefe mit dem Menschen um Nahrung konkurriert. Gibt es eine Möglichkeit, die Hefe zu „füttern“, ohne die Nahrung zu reduzieren?

Das ist es, was Wissenschaftler erwägen.

In den letzten Jahren hat das Land die energische Entwicklung nicht essbarer Biomasseressourcen, einschließlich Zellulose , gefördert.

Obwohl der Begriff „Lignozellulose“ ungewohnt klingt, handelt es sich dabei um eine weit verbreitete und leicht verfügbare Substanz, die den Hauptstrukturbestandteil von Holz und Erntestroh bildet. Es handelt sich um eine komplexe und vielfältige „große Familie“, die im Wesentlichen aus drei Schlüsselelementen besteht.

Cellulose ist ein „großes“ Polysaccharid aus Glucose, dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, und eines der am weitesten verbreiteten und am häufigsten vorkommenden Polysaccharide in der Natur . Hemicellulose ist ein „Polymer“, das aus vielen verschiedenen Arten von Monosacchariden besteht, ein starkes faseriges Netzwerk zwischen den Zellen bildet und eine enge Verbindung zwischen den Zellen herstellt . Lignin ist einer der Bestandteile pflanzlicher Zellwände und dient als „Gerüst“ für die Fasern , um die Struktur der gesamten Zellulose zu stärken .

Lignocellulose ist ein wertvoller natürlicher, nachwachsender Rohstoff mit breitem Anwendungspotenzial. Es kann als Rohstoff für die Biofermentation und die biochemische Verfahrenstechnik verwendet werden.

Ja, es kann eine Nährstoffquelle für Hefe sein.

Ein starker, biologisch abbaubarer und recycelbarer Lignozellulose-Biokunststoff (Bildquelle: Referenz [5])

Aufgrund seiner sehr stabilen Struktur ist eine direkte Verwendung jedoch schwierig . Daher sind spezielle Behandlungen, wie beispielsweise die Verwendung starker Säuren oder Basen , erforderlich, um Zellulose und Hemizellulose in ihre grundlegenden Monosaccharidbestandteile (wie Glucose und Xylose) zu zerlegen, die dann von bestimmten Hefen direkt genutzt werden können .

Dies bedeutet allerdings nicht, dass wir heute völlig auf Nahrungsmittel verzichten und Zellulose für die Hefekultivierung nutzen können. Der Hauptgrund besteht darin, dass Zellulose zu Monosacchariden hydrolysiert werden muss, bevor sie von Hefe verwendet werden kann, und die Kosten für die Herstellung des Hydrolysats immer noch relativ hoch sind. Neben den Hauptbestandteilen Glucose und Xylose enthält das Hydrolysat auch einige hemmende Komponenten (wie Furfural, Furan usw.), die eine gewisse hemmende Wirkung auf das Hefewachstum haben. Daher ist die Verwendung von Lignocellulosehydrolysat zur mikrobiellen Fermentation nicht weit verbreitet.

Drei Fliegen mit einer Klappe schlagen

Hefe „isst“ am liebsten Glukose. Wenn Glukose und Xylose gleichzeitig vorhanden sind, frisst die Hefe zuerst Glukose und frisst Xylose, nachdem die Glukose aufgebraucht ist. Dies führt dazu, dass die Hefe das Lignocellulosehydrolysat langsamer verwertet .

Wie kann Hefe Lignocellulosehydrolysat effizient verwerten?

Kürzlich hat das Team um den Forscher Zhou Yongjin von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Hansenula polymorpha durch Gentechnik verändert. Ohne die Glukoseverdauungsrate zu beeinträchtigen, verbesserten sie die Absorptions- und Verdauungsrate von Xylose durch die Hefe und erreichten dadurch die gleichzeitige Nutzung von Glukose und Xylose, verbesserten die Nutzungseffizienz von Lignocellulosehydrolysat durch Hansenula polymorpha und synthetisierten Fettsäuren und 3-Hydroxypropionsäure durch Modifizierung von Hansenula polymorpha.

Der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist eine effiziente Synthese von Fettsäuren und 3-Hydroxypropionsäure durch Bioraffination von Lignocellulose gelungen (Bildquelle: Team des Forschers Zhou Yongjin an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften).

Im Vergleich zu Fettsäuren, die Öle bilden können, ist uns der Begriff 3-Hydroxypropionsäure relativ unbekannt.

Tatsächlich kann 3-Hydroxypropionsäure als Rohstoff für viele Chemikalien verwendet werden. Beispielsweise kann 3-Hydroxypropionsäure zu Poly-3-hydroxypropionsäure polymerisiert werden. Als abbaubarer Kunststoff kann er bei Verwendung in großen Mengen die „weiße Verschmutzung“ verringern . 3-Hydroxypropionsäure kann auch dehydratisiert werden, um Acrylsäure zu bilden, die weiter zu Acrylharz verarbeitet werden kann. Acrylharz ist der Hauptbestandteil dekorativer Beschichtungen und Farben , die eng mit unserem Leben verbunden sind.

Schematische Darstellung von Hansenula polymorpha, die Lignocellulose als Rohstoff zur effizienten Synthese von Fettsäuren und 3-Hydroxypropionsäure verwendet (Bildquelle: Team des Forschers Zhou Yongjin an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Chinesische Wissenschaftler produzieren Fettsäuren und 3-Hydroxypropionsäure durch Zellulose-Bioraffination. Im Vergleich zur herkömmlichen Bioraffination von Glukose kann Zellulose als nicht essbare Biomasse die „Konkurrenz mit dem Menschen um Nahrungsmittel“ vermeiden und die Luftverschmutzung durch die direkte Verbrennung von Stroh und Altholz reduzieren. Man könnte sagen, man schlägt drei Fliegen mit einer Klappe.

Abschluss

Hefezellfabriken haben in der wissenschaftlichen Forschung einen extrem hohen Anwendungswert gezeigt. Wissenschaftler haben Hefe durch präzise Gen-Editierungstechnologie transformiert und eine Reihe von Produkten mit hoher Wertschöpfung wie Biokraftstoffe, Feinchemikalien, Aromen und Lebensmittelzusatzstoffe synthetisiert. Allerdings steht die traditionelle Bioraffination mit Glukose als Rohstoff möglicherweise vor dem Dilemma, mit der Menschheit um Nahrungsmittel zu konkurrieren. Um dieses Dilemma zu lösen, kann die modifizierte Hefe Glucose und Xylose in Lignocellulosehydrolysat effektiv nutzen und gleichzeitig dem Aufruf des Landes nachkommen, nicht essbare Biomasse zu entwickeln.

Experimentelle Studien haben gezeigt, dass es möglich ist, Hansenula polymorpha so zu verändern, dass aus Glucose und Xylose Fettsäuren und 3-Hydroxypropionsäure synthetisiert werden können, was das große Potenzial der Bioraffination von Lignocellulose verdeutlicht. Dank der unermüdlichen Anstrengungen der Wissenschaft und Industrie wird Lignozellulose künftig in großem Umfang zur Herstellung weiterer Produkte eingesetzt werden und so die nachhaltige Entwicklung der biochemischen Industrie meines Landes nachhaltig unterstützen.

Quellen:

[1] Cao X., Yu W., Chen Y., Yang S., Zhao ZK, Nielsen J., Luan HW, Zhou YJ. Hefeentwicklung für die Hochproduktion des Diterpenoids Sclareol, Metab. Eng., 2023, 75, 19-28.

[2] Cao CY, Cao X., Yu W., Chen YX, Lin XP, Zhu BW, Zhou YJ Globale metabolische Neuverdrahtung von Hefe ermöglicht Überproduktion von Sesquiterpen (+)-Valencen, J. Agric. Food Chem., 2022, 70(23), 7180-7187.

[3] Ye M., Gao JQ, Zhou YJ Globale metabolische Neuverdrahtung der unkonventionellen Hefe Ogataea polymorpha für die Biosynthese des Sesquiterpenoids β-Elemen, Metab. Eng., 2023, 76, 225-231.

[4] Ro DK, Paradise EM, Ouellet M, Fisher KJ, Newman KL, Ndungu JM, Ho KA, Eachus RA, Ham TS, Kirby J., Chang M, Withers ST, Shiba Y., Sarpong R., Keasling JD Produktion des Antimalaria-Medikamentenvorläufers Artemisinsäure in gentechnisch veränderter Hefe, Nature, 2006, 440, 940-943.

[5] Xia Q., Chen CJ, Yao YG, Li JG, He SM, Zhou YB, Li T., Pan XJ, Yao Y., Hu LB Ein starker, biologisch abbaubarer und recycelbarer lignozellulosehaltiger Biokunststoff, Nat. Sustain., 2021, 4, 627-635.

[6] Gao JQ, Yu W., Li YX, Jin MJ, Yao L., Zhou YJ Technische Konutzung von Glucose und Xylose für die chemische Überproduktion aus Lignocellulose, Nat. Chem. Biol., 2023. (doi:10.1038/s41589-023-01402-6)

[7] Yu W., Cao X., Gao JQ, Zhou YJ Überproduktion von 3-Hydroxypropionat in einem Superhefe-Chassis, Bioresour. Technol., 2022, 361, 127690.