Reduction of xylose with molecular hydrogen for xylitol production in Rhodococcus opacus
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-03-12
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
59 + 5
Series
Abstract
In a search for environmentally friendly industrial production, biocatalysis can offer an alternative to chemical catalysis. Processes based in biocatalysis often benefit from milder reaction conditions decreasing the energy demand of the process and the inherent biodegradability of natural catalysts. However, many of these natural catalysts are cofactor dependent enzymes and require cofactor recycling. This cofactor recycling typically generates an additional co-product complicating the purification of the target product. One way to avoid this is to use hydrogenases. These enzymes can recycle the cofactor without the formation of troublesome co-products. The aim of this thesis was to construct a whole-cell biocatalytic xylitol production platform with cofactor recycling powered by hydrogen. To achieve this a strain of a hydrogen-oxidizing bacteria capable of heterologous expression of xylose reductase (XR) was constructed. Three XR genes were transformed into a hydrogen-oxidizing bacterium Rhodococcus opacus MR11 expressing its native soluble hydrogenase. One of the transformants showed sufficient XR activity. Xylose was converted to xylitol successfully in resting cells of this strain. However, based on these tests the cofactor recycling was inefficient using hydrogen likely due to differing cofactor preferences of the XR and hydrogenase.Ympäristöystävällisen teollisen tuotannon tavoittelussa biokatalyysi voi tarjota vaihtoehdon kemialliselle katalyysille. Biokatalyysiin perustuvat prosessit kuluttavat tyypillisesti vähemmän energiaa miedompien reaktio-olosuhteiden ansiosta ja hyötyvät biokatalyyttien biohajoavuudesta. Valitettavasti monet biokatalyyteistä ovat kofaktoreista riippuvaisia entsyymejä ja tarvitsevat kofaktorien kierrätyksen. Kofaktorien kierrätyksen yhteydessä syntyy tyypillisesti sivutuotteita, jotka hankaloittavat päätuotteen puhdistusta. Sivutuotteiden muodostuminen voidaan välttää käyttämällä hydrogenaaseja. Hydrogenaasi kierrätää kofaktoreita tuottamatta puhdistusta hankaloittavia sivutuotteita. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää biokatalyyttinen tuotantoalusta ksylitolille käyttäen vetyyn perustuvaa kofaktorien kierrätystä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi kehitettiin siirtogeeninen vetyä hapettava bakteerikanta ksyloosi reduktaasin tuottamiseksi. Kehitettyjä kofaktorinkierrätysmenetelmiä sekä vakiintuneita ksylitolin tuotantoprosesseja kartoitettiin kirjallisuuskatsauksella. Hydrogenaasia luonnostaan tuottavaan vetyä hapettavaan bakteerikantaan Rhodococcus opacus MR11:sta siirrettiin kolme ksyloosi reduktaasi geeniä. Yksi transformanteista tuotti riittävää aktiivisuutta. Lepäävät solut muunsivat ksyloosin onnistuneesti ksylitoliksi. Tulosten perusteella kofaktorien kierrätys oli kuitenkin tehotonta käytettäessä vetyä. Tämä johtui todennäköisesti XR:n ja hydrogenaasin eroavista kofaktoripreferensseistä.Description
Supervisor
Scheller, SilvanThesis advisor
Nyyssölä, AnttiJämsä, Tytti
Keywords
cofactor recycling, xylose reductase, hydrogen oxidizing bacteria, hydrogenase