Mixotrophic fermentation for butanol production

Abstract

The current economy is still dominated by the fossil-based chemical industry that represents a nefarious contribution to the environment. To avoid the permanence of this industry, the necessity to optimize fermentations to cost-competitive processes started to arise. It is known that heterotrophic organisms can transform organic carbon into fermentation products with great economic interest. However, for most fermentations where sugars are used as carbon source, over one-third of the sugar carbon is lost to CO2. The CO2 evolves from the Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) glycolysis decarboxylation reaction that converts pyruvate into acetyl-CoA. To overcome this carbon loss, one route to recapture evolved CO2 using the Wood-Ljungdahl carbon fixation pathway (WLP), in a process called anaerobic, non-photosynthetic (ANP) mixotrophy, was reviewed in the present work. The ANP mixotrophy is defined as the concurrent utilization of organic (for example, sugars) and inorganic (for example, CO2) substrates in a single organism. Comparing with the EMP glycolysis, this metabolism allows higher productivities and lower CO2 emissions during fermentations. With the purpose of increasing the biobutanol productivity in anaerobic ABE fermentations performed by Clostridium beijerickii NCIMB 8052, a genetic engineering strategy was designed to enable the ANP mixotrophic metabolism in this strain. Through a set of different fermentations and bioinformatic researches, it was concluded that Clostridium beijerickii NCIMB 8052 is not naturally capable of performing the ANP mixotrophic metabolism due to a group of genes, considered as essential for the WLP, that were found to be missing in this strain. Several cloning techniques were used to insert and overexpress, via plasmid, these genes into Clostridium beijerickii NCIMB 8052. At the end, none of the genes were successfully transformed.

Os organismos heterotróficos têm a capacidade de metabolizar carbono orgânico para gerar produtos de fermentação indispensáveis para a sociedade atual. Numa economia ainda dominada pela industria química à base de recursos fósseis, a urgência em otimizar e viabilizar os processos fermentativos é cada vez mais significativa. Em fermentações onde os açucares são utilizados como fonte principal de carbono, sabe-se que cerca de um terço do carbono proveniente do açúcar é perdido na forma de CO2. Este fenómeno deve-se a uma reação de descarboxilação, durante a via glicolítica Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), responsável por converter o piruvato em acetil-CoA. Numa tentativa de colmatar estas perdas de carbono, o presente trabalho revê uma via alternativa para recapturar o CO2 desenvolvido usando o metabolismo de fixação de CO2 Wood-Ljungdahl (WLP), num processo chamado fermentação mixotrófica anaeróbia, não-fotossintética (ANP). O mixotrofismo ANP, definido como a utilização simultânea de substratos orgânicos (como açucares) e inorgânicos (como CO2) por um único organismo, evita as perdas de carbono, aumentando os rendimentos de produção e reduzindo as emissões de CO2 durante as fermentações. O objetivo deste trabalho foi o de tentar aumentar a produtividade de biobutanol em fermentações anaeróbias Acetona-Butanol-Etanol (ABE) realizadas pela bactéria Clostridium beijerickii NCIMB 8052. Para isso delineou-se uma estratégia de engenharia genética para ativar o metabolismo ANP mixotrófico na estirpe em causa. Através de um conjunto de diferentes fermentações experimentais e de diferentes análises bioinformáticas, concluiu-se que C. beijerickii NCIMB 8052 não é capaz de realizar o metabolismo mixotrófico ANP de forma natural e que isso se deve à ausência, no seu genoma, de um grupo de genes considerados essenciais para o funcionamento do metabolismo de WLP. Usaram-se várias técnicas de clonagem na tentativa de inserir os respetivos genes, via plasmídeo, em C. beijerickii NCIMB 8052, mas não foram obtidos os resultados esperados. Comprovou-se que nenhum dos genes de interesse foi clonado com sucesso