High-throughput FTIR-spektroskopi gjør screeningen for mikrobielle oljer raskere

  • Mucor fungus
    Foto
    Gergely Kosa

Det har blitt undersøkt screening av filamentøs sopp for oljeproduksjon ved kombinert dyrkningsanalytisk tilnærming bestående av kultivering på mikrotitierplater og FTIR-spektroskopi.

High-throughput FTIR-spektroskopi gjør screeningen for mikrobielle oljer raskere

Mikroorganismer har i nesten et århundre blitt vurdert for produksjon av nyttige og økonomisk gunstige oljer. Men bare de siste to-tre tiårene har de blitt brukt kommersielt. Disse oljene inneholder en høy mengde flerumettede fettsyrer (PUFA), og har hovedsakelig blitt brukt til konsum som barnemat og kosttilskudd. Også noe brukes til fôring av oppdrettsfisk, fjærfe og griser. PUFA er et viktig næringsstoff for å forebygge flere sykdommer, for eksempel kardiovaskulære sykdommer, diabetes og kreft. Videre er også PUFA gunstige for hjerne og øyne. Produksjon av høyverdige PUFAer som er basert på heterotrofisk dyrking (vanligvis glukose) av ulike sopp og marine mikroorganismer. Et annet voksende bruksområde for mikrobielle oljer er produksjonen av biodiesel. Den siste tiden har de vært uttrykt bekymring rundt førstegenerasjons biodiesel (fra palmeolje, rapsolje etc.) på grunn av matressursene som denne produksjonen begrenser. Andre generasjon biodiesel (ikke spiselige planter, avfallsolje og animalsk fett) har ikke hatt potensiale til å erstatte fossil råolje full ut. Derfor er det en raskt voksende interesse for mikrobielle oljer som kilder til tredje generasjons biodiesel. Gjær og sopp er spesielt interessante siden disse kan vokse på billige substrater som rå glyserol eller lignocelluloseavfall. Dette er noe som bidrar til utviklingen av et økonomisk forsvarlig alternativ til fossile brensler.

Etablering av en bioprosess for produksjon av olje fra enkeltceller starter med en screening. Dette for å finne lovende produksjonsstammer med høyt lipidutbytte og den ønskede fettsyrekomposisjonen. På grunn av fremgangen innenfor molekylærbiologi, kan antall kandidatstammer langt overstige det som er mulig med tradisjonell rystekolbetilnærming. Derfor er det nødvendig med high-throughput kultivering på mikrotiterplater. Det er også nødvendig å anvende en hurtig, high-throughput analyseteknikk for måling av intracellulære lipider. Gasskromatografi med flammeioniseringsdetektor (GC-FID) og gasskromatografi med massespektrometri (GC-MS) representerer de tradisjonelle teknikkene for å analysere mengden og profilen til fettsyrene i mikroorganismer. Imidlertid er disse metodene energiintensive og tidkrevende prosedyrer som krever for eksempel cellebearbeidelse, lipidekstraksjon og transesterifisering. Dette er dermed mindre anvendbart for innenfor high-throughput screening. FTIR-spektroskopi (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) er en kraftig og ikke-destruktiv med high-throughput for måling av den kjemiske sammensetning i svært komplekse prøver, som mikroorganismer.

I denne avhandlingen undersøkte vi screeningen av filamentøs sopp for oljeproduksjon ved en kombinert dyrkningsanalytisk tilnærming bestående av kultivering på mikrotiterplater og FTIR-spektroskopi. Artikkel I demonstrerte vi at høyt reproduserbar dyrking av filamentøs sopp kan oppnås i Duetz-mikrotiterplatesystem (Duetz-MTPS). Vi viste også at tidsmessige endringer i lipidinnholdet lett kunne følges ved å undersøke spesifikke topper i FTIR-spektrene fra soppbiomasse, mens vi kunne predikerte fettsyresammensetningen ved hjelp av multivariat regresjon (PLSR) mellom FTIR- og GC-data. Fettsyregruppene (SAT, MUFA, PUFA), grad av umettethet og hovedinnhold av fettsyrer ble spådd med høy presisjon. Artikkel II viste at high-throughput FTIR-spektroskopi også kan brukes til å kvantifisere i substratforbruk. Også for deteksjon og kvantifisering av ekstracellulære metabolitter i mikrobiell screening. Skalerbarhet ved dyrkning i mikrotiterplater for en småskala bioreaktor og et pilotsystem ble demonstrert i Artikkel III. Til slutt, i Artikkel IV, undersøkte vi hundre Mucoromycota sopp for oljeproduksjon og det ble etablert et high-throughput dyrknings- og analysesystem. Flere lovende stammer, med høyt lipidinnhold og fettsyrekomposisjon som er egnet for høyverdig PUFA- og biodieselproduksjon, er identifisert.

Basert på disse resultatene har vi konkludert med at Duetz-MTPS kombinert med FTIR-spektroskopi og multivariate dataanalyser, er en egnet lavkostnads og high-throughput screening av filamentøs sopp for oljeproduksjon. Automatisering av prøvetillaging for FTIR-spektroskopi er planlagt i nær fremtid. Dette for å utvikle en integrert high-throughput screening av ulike mikroorganismer.

Published 26. February 2018 - 14:41 - Updated 27. February 2018 - 12:16