Värmetålig jäst kan ge mer klimatsmart etanol

Med en enkel mutation kan man få jäst att växa i högre temperatur än normalt. Det visar forskare vid Chalmers i en artikel som publiceras i tidskriften Science. Resultaten kan effektivisera tillverkningen av etanol till fordonsbränsle, och öka möjligheterna att använda restavfall som råvara.

Om man inte kyler ner en industriell jästodling så dör jästcellerna av värmen som de själva avger. Idag kyler man jästodlingarna till 30 grader, den temperatur där jästcellerna är bäst på att utföra sitt jobb – att tillverka etanol.

Men tillverkningen av bioetanol skulle bli både billigare och mer effektiv om man istället kunde hålla 40 grader. Dels skulle stora summor sparas på nedkylningskostnader, och risken för bakterietillväxt skulle minska. Dels måste råvaran, till exempel stärkelse, brytas ner till sockerarter som jästen kan använda och det fungerar bäst vid högre temperaturer.

Forskare vid Chalmers har nu löst frågan om vad som gör jäst värmetålig.

– Det visade sig att det räcker med en enkel mutation, säger Jens Nielsen, professor i systembiologi och ledare för forskargruppen. Jäst har en molekyl i sitt cellmembran som heter ergosterol, i stället för kolesterol som vi människor har. Mutationen byter ut ergosterol mot en mer böjd molekyl som heter fecosterol. Det har flera olika effekter i cellerna som gör att jästen kan växa vid 40 grader.

Forskarna har inte genmodifierat jästen. I stället har de avlat fram den med en metod som kallas för adaptiv laboratorie-evolution. Med den kan man få fram nya egenskaper utan att veta vilka mutationer som krävs för att uppnå egenskaperna.

Tre jästodlingar utsattes för en temperatur på cirka 40 grader. Efter drygt tre månader, när över 300 generationer hade passerat, började jästen plötsligt växa effektivt i alla tre odlingarna. Forskarna analyserade genuppsättningen och ämnesomsättningen hos tre jäststammar från varje odling. De kunde konstatera att flera olika mutationer hade skett hos de olika stammarna, men gemensamt för dem alla var mutationen som gav fecosterol.

– Eftersom den uppstod i tre oberoende odlingar verkar den vara den viktigaste faktorn för att jästen ska bli värmetålig, säger Jens Nielsen. Det här visar hur snabbt evolutionen kan förändra en organism. Intressant nog är strukturen hos fecosterol samma som hos de sterol-liknande molekyler som skyddar vissa bakterier och växter mot höga temperaturer.

En viktig egenskap hos jäststammarna är att de är stabila – de nedärver sin värmetålighet till kommande generationer.

Denna egenskap, och att man nu vet exakt vad som gör jäst värmetåligt, kan få stor effekt på tillverkningen av bioetanol runt om i världen. Dels dagens tillverkning där man utgår från sockerbeta eller majs. Idag producerar jäst etanol till ett värde av mer än 100 miljarder dollar årligen, och man räknar med att även en liten förbättring av processen kan spara miljarder dollar per år. Dels morgondagens tillverkning som skulle vara det allra bästa ur klimatperspektiv: produktion där råvaran är restavfall från jordbruk och skogsbruk.

– Här tror jag det finns en mycket stor potential i våra resultat, säger Jens Nielsen. För att kunna använda sådant restavfall måste man bryta ner ämnet lignocellulosa, vilket är svårt. De enzymer som behövs för den nedbrytningen fungerar bäst vid högre temperaturer.

– På längre sikt kan våra resultat också öka möjligheterna att använda jäst för att tillverka mer avancerade biobränslen, som mer liknar oljebaserade bränslen.

Tidskriften Science publicerar artikeln "Altered sterol composition renders yeast thermotolerant" på fredag den 3 oktober.

Den kommer då att finnas på:

http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1254426

Bildtext: Jästceller som växer i en kontrollerad miljö i bioreaktorer. Forskarna mäter bland annat hur cellerna tillväxer, hur snabbt de växer och delar sig, vad de äter, hur mycket de äter, vad de producerar och hur de använder syre.
Foto: Martina Butorac

Fakta: Tillverkning av bioetanol

Den dominerande tekniken för framställning av förnybar bioetanol är idag nedbrytning och jäsning av råvaror som innehåller stärkelse eller socker, framför allt sockerbeta och majs. Produktionen i världen ligger på runt 100 miljarder liter etanol per år.

Samtidigt pågår mycket forskning för att i stället kunna använda restavfall från bland annat skogsbruk och jordbruk. Det skulle ge en ännu större minskning av växthusgaser. Svårigheten är att ta fram industriellt gångbara metoder för att bryta ner lignocellulosa, det svårnedbrytbara ämne som landväxter och träd huvudsakligen består av. I Sverige och runt om i världen pågår olika projekt med målet att demonstrera storskalig produktion av etanol från olika lignocellulosaråvaror, som halm, majsväxten eller sockerrörsväxten.

Fakta om forskningen

Forskningen har finansierats av Novo Nordisk Fonden, European Research Council och Vetenskapsrådet. Den har utförts på Chalmers, och Science for Life Laboratory har gjort DNA-sekvenseringar och bioinformatiska analyser.

För mer information, kontakta:

Jens Nielsen, professor i systembiologi på Chalmers, 0702-436 618, nielsenj@chalmers.se

Taggar: