Fotosynteettisten solutehtaiden biotuotannon parantaminen fotomiksotrofian avulla

Abstract

Ilmastonmuutoksen ja maapallon väestön kasvun seurauksena etsitään vaihtoehtoisia tapoja tuottaa polttoaineita, kemikaaleja ja ravintoaineita ilman fossiilisia polttoaineita. Vaihtoehdoksi esitetään uusiutuvia tapoja tuottaa biopolttoaineita ja kemikaaleja, joiden tuotannossa mikrobit hyödyntävät esimerkiksi orgaanista jätettä ja teollisuuden sivuvirtoja. On olemassa mikrobeja, jotka ovat heterotrofisia eli toisenvaraisia sekä autotrofisia eli omavaraisia. Heterotrofiset mikrobit eivät pysty itse tuottamaan energiaansa, vaan hankkivat energiansa pilkkomalla ravintoaineita. Omavaraiset mikrobit voivat tuottaa energiansa itse esimerkiksi fotosynteesillä. Fotosynteesissä mikrobi tuottaa hiilidioksidista ja vedestä valon energiaa hyödyntäen energiaa sisältäviä hiilihydraatteja. Luonnossa fotomiksotrofiaan pystyvät eliöt hyödyntävät energiantuotannossaan fotosynteesiä ja sokeriaineenvaihduntaa samanaikaisesti. Fotomiksotrofisia organismeja ovat esimerkiksi osa syanobakteerieista ja mikrolevistä. Näiden eliöiden aineenvaihdunta voidaan valjastaa haluttujen yhdisteiden tuotantoon, joten eliöt muuntautuvat eläviksi solutehtaiksi. Tämän tutkielman tarkoituksena on perehtyä fotomiksotrofiaan, sen avulla tuotettaviin tuotteisiin, sen haasteisiin ja etuihin sekä keinoihin, joilla fotomiksotrofista tuotantotapaa voidaan tehostaa. Lisäksi tutkielmassa verrataan fotomiksotrofista tuotantotapaa muihin tuotantotapoihin. Fotomiksotrofian avulla voidaan tuottaa useita erilaisia yhdisteitä. Näitä ovat esimerkiksi biopolttoaineet, kuten 2,3-butaanidioli, isopropanoli, isobutanoli ja etyleeni. Muita tuotettavia orgaanisia yhdisteitä ovat esimerkiksi poly-3-hydroksibutyraatti ja sukkinaatti sekä ravintolisät (SCP), triasyyliglyseroli, ja rasvahapot (EPAja DHA). Fotomiksotrofista biotuotantoa voidaan tehostaa eliöiden geneettisellä muokkauksella tai ympäristöolosuhteita muuttamalla. Eliöiden genomista voidaan poistaa tiettyjä geenejä tai vaihtoehtoisesti ylituottaa haluttua proteiinia. Synteettisen biologian avulla näihin eliöihin voidaan rakentaa uusia aineenvaihduntareittejä, joita näillä eliöillä ei luonnostaan ole. Geneettinen muokkaus vaatii kehittyneitä työkaluja ja on tärkeässä roolissa, kun puhutaan syanobakteereiden ja mikrolevien fotomiksotrofisen tuotannon tehostamisesta. Ympäristöolosuhteita voidaan tehostaa esimerkiksi pH:ta muuttamalla ja käyttämällä lisähiililähteitä, jonavoi toimia esimerkiksi ksyloosi. Jotta fotomiksotrofiaa saataisiin sovellettua teollisessa tuotannossa, vaatii se vielä lisää tutkimusta ja kehitystä. Fotomiksotrofisella biotuotannolla on potentiaalia sekä ravinnon- että energiantuotantoon. Lisäksi on mahdollista tuottaa yhdisteitä, joiden markkina-arvo on suuri ja joita voidaan tuottaa kestävämmin kuin nykyisellään teollisuudessa.