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微生物の相互作用を通じてn-カプレートの生産を改善する

この研究は、微生物の協力がn-カプリレートの生産効率をどのように高めるかを明らかにしている。

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微生物連鎖伸長によるn微生物連鎖伸長によるnカプリレートを明らかにした。研究が効率的なn-カプリレート生産の道筋
目次

微生物のチェーンエロンゲーションは、中鎖カルボキシレートを作る方法で、これはいろんな産業に役立つ化学物質なんだ。これらのカルボキシレートは、6から12の炭素原子でできた炭素鎖を持ち、香料や薬の運搬、さらには抗菌剤として使われることがある。さらに、他の化学物質を作るためのビルディングブロックとしても使えるよ。例えば、生成物の一つであるn-カプリレートは、航空機で使う液体燃料に変わることができるんだ。

生産プロセス

このプロセスには、短い炭素鎖を長いものに伸ばすのを助ける特定のバクテリアが関与してるんだ。これらのバクテリアは、アセテート(2つの炭素原子)やn-ブチレート(4つの炭素原子)みたいな短鎖カルボキシレートを、n-カプロエート(6つの炭素原子)やn-カプリレート(8つの炭素原子)に変換するよ。これって主に酸素がない環境で起こることが多くて、プロセスの一部としてエタノールを使うこともあるんだ。

オープンな培養でこれらのバクテリアを使うと、生産が効率的になるよ。n-カプリレートに焦点を当てるのは、短鎖のものよりも価値が高いからなんだ。でも、パームやココナッツオイルからn-カプリレートを作るのは持続可能じゃないから、より良い生産方法を探す必要があるよね。

生産の課題

n-カプリレートの生産における最大の課題の一つは、カルボキシレートではなくメタンを作ることができる特定の古細菌をコントロールすることなんだ。これらの古細菌には、アセテートをメタンに変えるものと、水素と二酸化炭素をメタンに変えるものの2種類があるよ。

酸素の存在はプロセスに悪影響を及ぼすことがある。たとえば、少し酸性の環境を維持することで、アセテートを分解する古細菌を抑制できるんだ。また、水素レベルのバランスもn-カプリレートの生産効率に影響を与えることがある。これは、生産プロセスにおける環境条件の慎重な管理が必要だって示してるよ。

以前の研究

以前の研究では、エタノールとアセテートを使ってn-カプリレートを生産することにある程度成功したけど、バクテリアがこれらの物質からn-カプリレートにどのように移行したのかははっきりしてなかったんだ。提案された経路では、Clostridium kluyveriのような特定のバクテリアが重要である可能性が示されたけど、非特異的な酵素反応に依存していたため、 significantな量のn-カプリレートは生産してなかったんだ。

実験的調査

私たちの調査は、エタノールとアセテートの高いレベルで定義されたメディアを使う2種類のバイオリアクターにおける長期的なn-カプリレートの生産を理解することを目指してた。酸素レベルの変化がn-カプリレートの生産にどう影響するかを追跡し、このプロセスに関与する様々な微生物群を監視したよ。

いくつかの実験が、経路や関与するさまざまなバクテリアの種を明らかにするのに役立った。メタゲノミクスも実施して、n-カプリレートの生産に関与する主要な種を特定するのに役立ったんだ。

バイオリアクターのセットアップ

二つの種類のバイオリアクターが設置されて、発酵プロセスを続けながら生成されたカルボキシレートを抽出するようにしたんだ。それぞれのバイオリアクターには、温度やpHなどの特定の環境制御が厳密に管理されてた。一つのバイオリアクターには微生物コミュニティを強化するための特別なパッキング材があったけど、もう一つはそのような材を使わずに固体バイオマスの蓄積に焦点を当ててた。

両方のシステムは、発酵液から目的の化学物質を取り出すための抽出方法を共有してた。これは、ポンプや特別な膜を使って効率的にカルボキシレートを分離することを含んでたよ。

定期的な操作

主要な操作の前に、安定した生産のために必要なパラメータを設定するためのプレオペレーションフェーズを行ったんだ。操作は2年以上続き、その間にバイオリアクターのパフォーマンスに基づいて調整を行った。

操作は、酸素レベルの管理方法に基づいて4つの主要な期間に分けたよ。これらは、受動的な酸素浸入での安定した生産から、酸素アクセスを制限したより制御された環境に至るまでのものでした。

  1. 安定生産: 初めは、いくつかのカルボキシレートが生産されていて、n-カプリレートが主な生成物だった。
  2. 移行期間: 生産にどう影響するかを見るために、システムに入る酸素を制限し始めた。
  3. 最小生産: この時点では酸素を完全に取り除き、生産率が下がった。
  4. 変動生産: ここでは、適切な量の酸素を再導入して、その影響を評価した。

時間が経つにつれて、バイオリアクターへの様々な修正が生産率に大きな影響を与え、酸素レベルがプロセスにとってどれほど重要であるかを示したんだ。

メディアと接種

私たちが使用した生産メディアは、炭素鎖を伸ばすことができるバクテリアに関する以前の研究に基づいていた。私たちは、特定の濃度比のエタノールとアセテートの混合物に焦点を当てて、その効果が証明されたんだ。

バイオリアクターの接種は、確立された微生物コミュニティをシステムに移すことを含んでた。外部の微生物が入ることを許すオープンな性質にもかかわらず、必要な種のダイナミックなバランスを維持することを目指してたよ。

進捗を追跡する実験

私たちは、様々な条件がカルボキシレートの生産にどう影響するかを追跡する実験を行った。これらのボトル実験を通じて、好気的および嫌気的な環境をシミュレートして、微生物活動にどう影響するかを見たんだ。

同位体を追跡することで、エタノールがさまざまなカルボキシレートに変換される様子や、生産された化学物質の組成の変化を時間的に追跡できた。これにより、酸素の存在が生産されるカルボキシレートの種類に大きく影響することが明らかになったんだ。

分析方法

両方のバイオリアクターから定期的に液体サンプルを採取して分析したよ。これらのサンプルは保存され、カルボキシレート濃度を定量し、微生物コミュニティの変化を追跡するためにいくつかの技術を使って分析した。

メタゲノミクスや代謝プロファイリングといった他の技術も使って、微生物活動やn-カプリレート生産に使用されている経路についてより深く洞察を得たんだ。

微生物コミュニティの洞察

私たちの分析を通じて、微生物コミュニティは、バイオリアクターに設定された条件下で繁栄できる複数の種で構成されていることが分かった。重要な発見は、エタノールを有用な中間代謝物に変えることができる好気性バクテリアの存在だったよ。

これらの好気性種は、嫌気的なチェーンエロンゲーションが行われる前に、エタノールを他の化合物に変換する初期段階で重要な役割を果たしていて、微生物コミュニティ内での複雑な相互作用を示唆してるんだ。

中間代謝物の役割

私たちは、好気性バクテリアが嫌気的な条件になるとn-カプリレートの生産を加速させる代謝物を生成するのではないかと仮定したよ。これは、効率的な生産のための潜在的な経路を示していて、好気的なフェーズが嫌気的なプロセスの基盤を築くことになる。

さらに、サクシニン酸やピログルタミン酸のような特定の代謝物の存在が変換率を高めることが示されていて、これらの化合物が生産の最適化に重要である可能性があるんだ。

酸素管理と生産率

酸素管理は、n-カプリレートの高い生産率を達成するために重要な要素だって分かったよ。最初の好気的なフェーズが代謝物の生成に大きな役割を果たし、それが嫌気的な条件下での効果的な変換を促進したんだ。

でも、あまりにも多くの酸素は生産に悪影響を及ぼすこともある。バランスは微妙で、目的の生成物に最適な条件を作るためには慎重な調整が必要だった。

研究からの結論

要するに、私たちの研究は、チェーンエロンゲーションを通じてn-カプリレートを生産する際の微生物相互作用の重要性を強調してるんだ。バイオリアクター内で好気性と嫌気性の種が協力し、特定の代謝物がプロセスを助ける食物連鎖を確立したよ。

かなりの進展があったけど、今後の研究ではこれらの方法を洗練させ、特にn-カプロエートからn-カプリレートへの変換中に見られる独特な炭素経路の振る舞いのメカニズムを理解することに重点を置くつもりだ。

将来の方向性

この研究は、微生物チェーンエロンゲーションのさらなる探求の扉を開くものだよ。今後の研究は、微生物コミュニティの構成や環境条件を最適化して、生産率と収量を向上させることに焦点を当てることができるね。

全体として、私たちの発見は、再生可能資源からn-カプリレートのような貴重なカルボキシレートを生産する効率を大きく改善できることを示してる、好気的と嫌気的なプロセスの慎重なバランスが必要なんだ。

オリジナルソース

タイトル: Toward industrial C8 production: Oxygen intrusion drives renewable n caprylate production from ethanol and acetate via intermediate metabolite production

概要: Previous bioreactor studies achieved high volumetric n-caprylate (i.e., n-octanoate) production rates and selectivities from ethanol and acetate with chain-elongating microbiomes. However, the metabolic pathways from the substrates to n-caprylate synthesis were unclear. We operated two n-caprylate-producing upflow bioreactors with a synthetic medium to study the underlying metabolic pathways. The operating period exceeded 2.5 years, with a peak volumetric n-caprylate production rate of 190 {+/-} 8.4 mmol C L-1 d-1 (0.14 g L-1 h-1). We identified oxygen availability as a critical performance parameter, facilitating intermediate metabolite production from ethanol. Bottle experiments in the presence and absence of oxygen with 13C-labeled ethanol suggest acetyl-coenzyme A-based derived production of n-butyrate (i.e., n-butanoate), n-caproate (i.e., n-hexanoate), and n-caprylate. Here, we postulate a trophic hierarchy within the bioreactor microbiomes based on metagenomics, metaproteomics, and metabolomics data, as well as experiments with a Clostridium kluyveri isolate. First, the aerobic bacterium Pseudoclavibacter caeni and the facultative anaerobic fungus Cyberlindnera jadinii converted part of the ethanol pool into the intermediate metabolites succinate, lactate, and pyroglutamate. Second, the strict anaerobic C. kluyveri elongated acetate with the residual ethanol to n-butyrate. Third, Caproicibacter fermentans and Oscillibacter valericigenes elongated n-butyrate with the intermediate metabolites to n-caproate and then to n-caprylate. Among the carbon chain-elongating pathways of carboxylates, the tricarboxylic acid cycle and the reverse {beta}-oxidation pathways showed a positive correlation with n-caprylate production. The results of this study inspire the realization of a chain-elongating production platform with separately controlled aerobic and anaerobic stages to produce n-caprylate renewably as an attractive chemical from ethanol and acetate as substrates. Broader contextNext to renewable electric energy, carbon-based chemicals have to be produced sustainably and independently from fossil sources. To meet this goal, we must expand the portfolio of bio-based conversion technologies on an industrial scale to cover as many target chemicals as possible. We explore the bioprocess of chain elongation to provide medium-chain carboxylates that can function as future platform chemicals in the circular economy. The most valuable medium-chain carboxylate produced with chain elongation is n-caprylate (i.e., n-octanoate). This molecule with eight carbon atoms in a row (C8) is challenging to produce renewably for the chemical industry. Previous reports elucidated that elevated ethanol-to-acetate ratios, which are found in syngas-fermentation effluent, stimulated n-caprylate production. Until now, studies have suggested that chain elongation from high concentrations of ethanol and acetate is a fully anaerobic process. We refine this view by showing a trophic hierarchy of aerobic and anaerobic microbes capable of facilitating this process. Appropriate oxygen supplementation enables the synthesis of succinate, lactate, and pyroglutamate that permit high-rate chain elongation to n-caprylate under anaerobic conditions. Given these results, future research should focus on the segregated study of aerobic and anaerobic microbes to further enhance the process performance to produce n-caprylate renewably at an industrial scale.

著者: Largus T Angenent, K. Gemeinhardt, B. Seung Jeon, J. Nepomuscene Ntihuga, H. Wang, C. Schlaiss, T. N. Lucas, I. Bessarab, N. C. Nalpas, N. Zhou, J. G. Usack, D. Huson, R. Williams, B. Macek, L. Aristilde

最終更新: 2024-07-17 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.12.603245

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.12.603245.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

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