Fenol toleráns Rhodococcus opacus PD630 fermentációjának vizsgálata és fenol-szenzor vezérelt rátáplálásos rendszer megépítése
A lignin a legnagyobb raktára a megújuló aromás vegyületeknek. A teljes biomassza 20-35%-át teszi ki, ezzel a második leggyakoribb természetes polimer a cellulóz után.[1] A lignin felhasználása különös kihívást jelent, mivel az evolúció során úgy fejlődött, hogy minél nehezebben legyen lebontható. A lignin teljes felhasználása és felhasználásának korszerűsítése kritikus fontosságú az újabb generációs biofinomítók gazdasági életképessége szempontjából.
A lignin lebontása és felhasználása nehézkes a mikroorganizmusok számára is, ennek fő oka, hogy az aromás gyűrűket kevés mikroba tudja bontani, valamint a lignin bomlástermékei toxikusak (például: fenol, furfurol). Rhodococcus opacus PD630 egy ideális jelölt lehet erre a feladatra, mivel mind a szénhidrát, mind a lignin frakcióját a lignocellulóznak képes hasznosítani, valamint ellenálló a toxikus lignin bomlástermékekkel szemben (pl. fenol). További előnye a Rhodococcus opacus PD630-nak, hogy nagy mennyiségben képes megfelelő körülmények között triacil-gliceridek (TAG) felhalmozására, amely akár a sejt teljes szárazanyag tartalmának ~80%-át is kiteheti (ún. „Microbial oil”).[2] TAG-ek ezután átalakíthatók lehetnek egy átészterezéssél biodízellé (pl. metil-palmitát), ami egy potenciális üzemanyag lehet a fosszilis tüzelőanyag helyett/mellett.[2],[3]
A fenol egy ideális választás, ha lignin bomlástermékek hasznosítását szeretnék modellezni és indukálni, mert így egy vegyület kiválasztásával elkerülhetjük a lignin lebontásakor keletkező számtalan vegyület zavaró hatását, valamint mindig egy meghatározott összetételű anyaggal dolgozhatunk, illetve a fenol toleráns sejtek igazoltan nagyobb mennyiségben halmoznak fel TAG-et és valószínüleg jobban tolerálják a lignin hidrolizátumot.[4],[5]
Kísérleteim során célom volt a Rhodococcus opacus PD630 magasabb koncentrációjú fenolhoz való adaptációja, illetve a toxikus fenol folyamatos automatikus és limitált adagolását megvalósító rendszer kiépítése. A korábban már Pichia pastoris élesztőnél használt online metanol szenzor és metanol ráptáplálásos rendszer átalakítása, optimalizálása és alkalmazása képezte kutatásom fókuszát Rhodococcus opacus fenol fermentációjára.[6] Előbb lombikos tenyészetekben meghatároztam az ideális nitrogén koncentrációt a fenol szénforrás mellett majd a szenzor működését befolyásoló tényezőket tártam fel fenol esetén, végül a szenzor karakterisztikájának meghatározását és működésének optimalizálását végeztem el. Így lehetővé vált a rátáplálásos rendszerrel a fermentáció alatt állandó vagy szükség szerint szabályozható fenol koncentráció alkalmazása. Fentiek eredményeként sikerült létrehoznom egy online fenol koncentrációt mérő szenzor alapú fenol-rátáplálásos rendszert, amellyel a fenol 0 és 2000 mg/l tartományban szabályozható, és amellyel a szakaszos fermentációhoz képest akár tízszeres optikai denzitást is el tudtam érni.
[1] Li T, Takkellapati S. The current and emerging sources of technical lignins and their applications. Biofuels, Bioprod Biorefining. 2018;12(5):756-787. doi:10.1002/bbb.1913
[2] Anthony WE, Carr RR, Delorenzo DM, et al. Development of Rhodococcus opacus as a chassis for lignin valorization and bioproduction of high-value compounds. Biotechnol Biofuels. 2019;12(1):1-14. doi:10.1186/s13068-019-1535-3
[3] Kosa M, Ragauskas AJ. Lignin to lipid bioconversion by oleaginous Rhodococci. Green Chem. 2013;15(8):2070-2074. doi:10.1039/c3gc40434j
[4] Kurosawa K, Laser J, Sinskey AJ. Tolerance and adaptive evolution of triacylglycerol-producing Rhodococcus opacus to lignocellulose-derived inhibitors. Biotechnol Biofuels. 2015;8(1):1-14. doi:10.1186/s13068-015-0258-3
[5] Yoneda A, Henson WR, Goldner NK, et al. Comparative transcriptomics elucidates adaptive phenol tolerance and utilization in lipid-accumulating Rhodococcus opacus PD630. Nucleic Acids Res. 2016;44(5):2240-2254. doi:10.1093/nar/gkw055
[6] Kupcsulik Bálint PhD értekezés, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Mezőgazdasági Kémiai Tanszék (2004).
szerző
-
Török Tivadar Péter
Biomérnöki alapképzési szak, nappali BSC
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Dr. Németh Áron
docens, Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
