De utvecklar jäst för hållbar bioindustri

Mikrobiella cellfabriker, i form av jäst, svamp eller bakterier, kan användas för att producera livsmedel, olika slags biokemikalier och biomaterial. Under jäsningsprocessen, fermenteringen, omvandlar cellfabrikerna sockerarter i biomassa till den önskade produkten. Utvecklandet av sådana processer bidrar till att skapa en biobaserad ekonomi där produkterna tillverkas av förnybart organiskt material, biomassa, i stället för av fossilbaserade råvaror.

Nedbrytning av xylan kan få nyckelroll

Växter består till stor del av polysackariden xylan och nedbrytning av xylan från restråvaror från jord- och skogsbruk kan spela en stor roll för framtidens biobaserade produktion. Xylan kan till exempel användas i så kallade konsoliderade bioprocesser, där jästen bryter ner polysackariderna till enklare sockerarter och vidare omvandlar dem till produkt. Men mikroorganismer som ska användas industriellt i detta syfte behöver utvecklas med hjälp av genteknik för att prestera optimalt under fermenteringen.

− Under det här arbetet har vi tittat på vad som händer i naturen, som är en fantastisk källa till inspiration för hur man kan bryta upp xylanstrukturerna i biomassan, säger Jonas Ravn, postdok på avdelningen för industriell bioteknologi och den aktuella studiens förstaförfattare.

Enzymstrategier kan användas för att skräddarsy industristammar

Över 100 olika jästarter kan växa på xylan, vilket kräver att jästerna uttrycker flera olika enzymer. Genom analys av jästarterna har man i projektet kunnat fastställa att många av dem saknar kända enzymer, xylanaser, som behövs för nedbrytningen.

− Här insåg vi att det fanns ett stort kunskapsglapp som vi ville fylla. Hur gör de här jästerna, vad använder de för enzymstrategier? Den kunskapen kan man sedan utnyttja för att med genteknik skräddarsy industriella jäststammar som effektivt kan bryta ner xylan, säger Cecilia Geijer, docent i industriell bioteknik.

Jäster med olika strategier 

I den aktuella studien valde man ut tre jästarter som har isolerats från olika miljöer och som växer på xylan för vidare analys: Blastobotrys mokoenaii från jord, Scheffersomyces lignosus som hittas i insektstarmar och Wickerhamomyces canadensis från träd. Arterna ligger långt ifrån varandra på släktträdet, men alla bryter ner xylan effektivt och de använder olika enzymuppsättningar för nedbrytningen.

Var jästerna växer kan spela roll för deras strategier för att bryta ner xylan. Till exempel spottar vissa ut de nedbrytande enzymen i sin närmiljö, medan andra fäster dem på sin egen cellyta. I sina studier har forskargruppen upptäckt ett nytt xylanas från en enzymfamilj som är anrikad i jäst och som de tror kan vara ett specialiserat sätt för vissa jästarter att bryta ner xylan. De visar också att olika jäster kan samarbeta eller dra nytta av varandra under nedbrytningsprocessen − strategier som man kan använda när man ska optimera industriell fermentering.

− Kartläggningen av xylan-nedbrytande jäststammar kan också leda till att man hittar nya cellfabrikskandidater, säger Cecilia Geijer.

Fynden från studien kan med andra ord spela stor roll för design och utveckling av mikrobiella cellfabriker och bioraffinaderier som använder förnybar växtbiomassa. Och arbetet med att utveckla jäststammar som kan växa på xylan fortsätter.

−Jag har fått ett anslag från Novo Nordisk Foundation för att ta projektet vidare och nu ska vi flytta flera av de xylannedbrytande enzymerna till stammar av Saccharomyces cerevisiae, bagerijäst, som redan används i industrin, säger Jonas Ravn.

Skapar en effektiv plattform

För att modifiera jästcellerna genetiskt använder forskarna den nobelvinnande CRISPR-Cas9-tekniken. Den ger möjlighet att med precision klippa in generna för xylannedbrytande enzymer i robusta industristammar, till exempel Saccharomyces cerevisiae.

− Vi siktar på att skapa en så kallad jästplattform med en enzymprofil som ger så bra xylanfermentering som möjligt. När plattformen är satt kan man välja vad den ska producera, till exempel biokemikalier, lipider eller användas inom livsmedelsindustrin. Det viktiga för oss i nuläget är inte vilken slutprodukten i bioprocesserna blir, utan att vi först bygger en stabil och effektiv plattform för den hållbara produktionen, säger Jonas Ravn.

Styrka att samla forskare från olika fält

Studien är en del av ett längre projekt där forskare har samarbetat över grupp- och avdelningsnivåer på institutionen för life sciences och med internationella samarbetspartners, för att samla rätt kompetens.

− Vi har utgått från tre pelare för att ta oss an den här forskningsfrågan på ett nytt – och för oss väldigt framgångsrikt – sätt: mikrobiologi, enzymologi och bioinformatik. Det har varit en styrka att engagera forskare från olika fält. Samtidigt som vi har fått fina resultat har vi också lärt oss att navigera nya forskningsfält och har haft väldigt många spännande diskussioner, säger Cecilia Geijer.

Mer om studien

• Läs hela studien: Yeasts Have Evolved Divergent Enzyme Strategies To Deconstruct and Metabolize Xylan
• Studiens författare är Jonas Ravn, Amanda Sörensen Ristinmaa, Tom Coleman, Johan Larsbrink och Cecilia Geijer, avdelningen för industriell bioteknik, institutionen för life sciences.
• Projektet är finansierat av H2020 Research and Innovation Programme (grant agreement No 964430), Formas (2017-01417) och Carl Tryggers stiftelse (18:118).
• Läs om tidigare resultat från forskarna: CAZyme prediction in ascomycetous yeast genomes guides discovery of novel xylanolytic species with diverse capacities for hemicellulose hydrolysis (2021) och 
  Cellulose- and xylan-degrading yeasts: Enzymes, applications and biotechnological potential (2022).