Fotoautotrofinen etyleenin tuotto korkean solutiheyden syanobakteerikasvatuksessa - Triipponen, Juuso (My University, 2025)
Etyleeni (C2H4) on kaasumainen hiilivety, jota käytetään erityisesti muoviteollisuuden raaka-aineena. Sitä tuotetaan pääosin öljystä höyrykrakkaamalla, mikä kuluttaa paljon energiaa ja vapauttaa ilmakehään hiilidioksidia. Fotosynteettisiä syanobakteereja hyödynnetään kehitettäessä uuden sukupolven bioteknologian sovelluksia, joiden avulla orgaanisia kohdekemikaaleja, kuten etyleeniä pyritään valmistamaan suoraan hiilidioksidista valoenergian avulla. Tässä työssä käytettiin geneettisesti muokattua Synechocystis sp. PCC 6803 -syanobakteerikantaa, joka tuottaa etyleeniä soluun siirretyn heterologisen efe-geenin avulla. Työn tavoitteena oli tutkia etyleenin tuottopotentiaalia erityisellä korkean tiheyden kasvatuslaitteistolla ja hyödyntää uutta sensoriteknologiaa etyleenin tuoton mittauksessa. Näitä laitteistoja ei ollut aiemmin käytetty haihtuvien kohdekemikaalien fotobiologisessa tuotossa. Etyleeniä tuotettiin fotosynteettisten mikrobien kasvatukseen suunnitellulla kaupallisella HD100-laitteistolla (CellDEG GmbH), jonka avulla kasvatuksessa voidaan saavuttaa hyvin korkea solutiheys (OD750 jopa 40–50). Kasvatuksessa käytettiin korkeaa hiilidioksidipitoisuutta (5–6 %) ja korkeita valointensiteettejä (max 780 µmol/m2/s), mikä oli mahdollista erikoisvalmisteisen kasvatuskaapin avulla. Solujen kasvua ja etyleenin tuottoa tutkittiin eri valo-olosuhteissa ja panoskasvatuksen eri vaiheissa. Etyleenin tuottoa seurattiin suoraan kaasutiiviin kasvatuskammion kaasufaasista kromatografisesti (GC-FID) sekä haihtuvien orgaanisten yhdisteiden kvantitointiin kehitetyn sensorin avulla. Tulokset osoittavat, että kasvatuslaitteisto soveltuu etyleenin fotoautotrofiseen tuottoon korkeissa valointensiteeteissä. Korkein mitattu etyleenipitoisuus oli noin 4,5 ml/l solukasvatusta ja korkein tuotto vuorokaudessa noin 3,3 ml/l solukasvatusta, jotka ovat kasvatustilavuuteen suhteutettuna samaa suuruusluokkaa kuin monet kirjallisuudessa julkaistut arvot. Sensorin osoitettiin olevan tarpeeksi herkkä havaitsemaan etyleeni suoraan kaasufaasista, ja mahdollistavan tuotteen reaaliaikaisen mittauksen. Työn tuloksia voidaan hyödyntää esimerkiksi tekoälyyn perustuvan olosuhdeoptimoinnin kehityksessä, mikä edistää fotoautotrofisten bioteknologioiden kehitystä kohti suuremman mittakaavan sovelluksia.

Ethylene (C2H4) is a gaseous hydrocarbon that is used especially as a raw material in the plastics industry. It is mainly produced from oil by steam cracking, which consumes a lot of energy and releases carbon dioxide into the atmosphere. Photosynthetic cyanobacteria are used in the development of new generation biotechnology applications, which aim to produce organic target chemicals such as ethylene directly from carbon dioxide with the help of light energy. In this work, genetically engineered Synechocystis sp. PCC 6803 cyanobacterial strain that produces ethylene by means of a heterologous efe gene was used. The goal of the work was to evaluate the potential of ethylene production with a special high-density cultivation equipment and to utilize new sensor technology in the measurement of ethylene. This equipment had not previously been used in the photobiological production of volatile target chemicals. Ethylene was produced using commercial equipment HD100 (CellDEG GmbH) designed for the cultivation of photosynthetic microbes, which can be used to achieve a very high cell density (OD750 up to 40–50). A high carbon dioxide concentration (5–6 %) and high light intensities (max 780 µmol/m2/s) were used for cultivation, which was possible with the help of a custom-made cultivation cabinet. Cell growth and ethylene production were studied under different light conditions and at different stages of batch cultivation. Ethylene production was monitored directly from the gas phase of the gas-tight growth chamber with chromatography (GC-FID) and a sensor developed for the quantification of volatile organic compounds. The results show that the cultivation equipment is suitable for the photoautotrophic production of ethylene at high light intensities. The highest measured ethylene concentration was about 4.5 mL/L of cell culture and the highest yield per day was about 3.3 mL/L of cell culture, which are in the same order of magnitude as many values published in the literature. The sensor was shown to be sensitive enough to detect ethylene directly from the gas phase, enabling real-time measurement of the product. The results of the work can be used, for example, in the development of growth condition optimization based on artificial intelligence, which supports the development of photoautotrophic biotechnologies towards larger-scale applications.
Keywords: etyleeni, syanobakteeri, fotosynteesi, korkea solutiheys, sensori