 |
Itaconic acid overflow in Aspergillus terreus: HOW fermentation technology reflects metabolic needs
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
129602 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Karaffa, Levente |
| Title in Hungarian |
Itakonsav túltermelés Aspergillus terreus-ban, avagy fermentációs technológia a gomba élettanának szolgálatában |
| Title in English |
Itaconic acid overflow in Aspergillus terreus: HOW fermentation technology reflects metabolic needs |
| Keywords in Hungarian |
Aspergillus terreus, itakonsav, szerves sav termelés, fermentáció, Mangán ion, Réz ion |
| Keywords in English |
Aspergillus terreus, itaconic acid, organic acid production, fermentation, Mn-ion, Cu-ion |
| Discipline |
| Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 40 % | | Ortelius classification: Microbiology | | Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Instrumental analysis |
|
| Panel |
Cellular and Developmental Biology |
| Department or equivalent |
Department of Biochemical Engineering (University of Debrecen) |
| Participants |
Fábián, István
Fekete, Erzsébet
Molnár, Ákos Péter
|
| Starting date |
2018-10-01 |
| Closing date |
2021-03-31 |
| Funding (in million HUF) |
19.538 |
| FTE (full time equivalent) |
3.75 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az itakonsavat (2-metilén butándisav, metilén szukcinát) a US Department of Energy a vegyipar számára legfontosabb 12, biotechnológiai úton előállított alapanyag egyikének választotta. A telítetlen dikarbonsavhoz kettős kötéssel kapcsolódó metiléncsoportja miatt az itakonsav könnyen polimerizálható, ami sokféle fontos vegyipari alkalmazás (műanyagok, kenőanyag adalékok, gyanták, hidrofób festékek, stb. előállítása) előtt nyitja meg a lehetőséget. Globális piacának mérete meghaladja az évi 200 millió US$-t. Az itakonsavat süllyesztett aerob fermentációs eljárással, az Aspergillus terreus fonalas gomba révén állítják elő. Az ipari léptékű technológia – folyamatos optimalizálása ellenére – több olyan lépést tartalmaz, melyek az egész eljárást megdrágító anyagi és/vagy munkaerő ráfordítást igényelnek. A két legfontosabb ezek közül a magas oldott oxigénszint illetve a táptalaj csaknem teljes mangán (II) ion mentességének biztosítása a fermentáció során. Az alapkérdések az A. terreus itakonsav fermentáció e két elemének tudományos magyarázatára, a jelenségek mögött lévő sejtélettani mechanizmusokra irányulnak, s egyben a folytatását jelentik egy 2015-ben megjelent, jelentős nemzetközi visszhangot kiváltó dolgozatban megjelent kutatásainknak. Az eredmények függvényében a fermentációs technológia eme két elemét megcélzó költségcsökkentő javaslatokat is megfogalmazunk majd.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az itakonsavat (2-metilén butándisav, metilén szukcinát) a US Department of Energy a vegyipar számára legfontosabb 12, biotechnológiai úton előállított alapanyag egyikének választotta. A telítetlen dikarbonsavhoz kettős kötéssel kapcsolódó metiléncsoportja miatt az itakonsav könnyen polimerizálható, ami sokféle fontos vegyipari alkalmazás (műanyagok, kenőanyag adalékok, gyanták, hidrofób festékek, stb. előállítása) előtt nyitja meg a lehetőséget. Az itakonsavat nagyléptékű, süllyesztett fermentációs eljárással, az Aspergillus terreus fonalas gomba révén állítják elő. Az ipari léptékű fermentációs technológia – folyamatos optimalizálása ellenére – több olyan lépést tartalmaz, melyek az egész eljárást megdrágító anyagi és/vagy munkaerő ráfordítást igényelnek. A két legfontosabb ezek közül a magas oldott oxigénszint illetve a táptalaj csaknem teljes mangán (II) ion mentességének biztosítása a fermentáció során. Kutatásaink az itakonsav fermentáció e két elemének tudományos igényű magyarázatára irányulnak. Mivel a Cu(II) ion koncentráció emelése a táptalajban jelentősen megemeli az itakonsav kihozatalt, I. Hipotézisünk szerint a Cu(II) és a Mn(II) ionok hatása antagonisztikus, melynek oka a Cu(II) itakonsav és/vagy Mn(II) transzporterrel való kölcsönhatásában keresendő. II. Hipotézisünk az itakonsav fermentáció magas oldott oxigénigényére irányul, és azt feltételezi, hogy az A. terreus rendelkezik aktív alternatív oxidáz enzimmel – szerepe a lebontó anyagcsere ATP általi gátlásának megakadályozása. Az alternatív oxidáz oxigén iránti affinitása ugyanis minden vizsgált esetben jóval alacsonyabb a citokróm-függő oxidázokénál, vagyis működése magas oxigénszintet igényel.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az itakonsav (2-metilén butándisav, metilén szukcinát) egy biotechnológiai úton előállított, fontos vegyipari alapanyag; műanyagok, kenőanyag adalékok, gyanták, hidrofób festékek alkotórésze. Süllyesztett, aerob fermentációs eljárással állítják elő, az Aspergillus terreus fonalas gomba révén. Az ipari léptékű technológia – folyamatos optimalizálása ellenére – több, fokozottan költséges lépést tartalmaz. A két legfontosabb közülük a magas oldott oxigénszint biztosítása a fermentáció során, illetve az itakonsav kihozatalt csökkentő mangán(II) ionok csaknem teljes eltávolítása a táptalajból. Pályázatunk az A. terreus itakonsav fermentáció e két elemének tudományos igényű magyarázatára, a jelenségek mögött lévő sejtélettani mechanizmusokra irányul, s egyben a folytatását jelentik egy 2015-ben megjelent, jelentős (pozitív) nemzetközi visszhangot kiváltó dolgozatban megjelent munkánknak, melyben elsőként mutattunk rá a Mn(II) ionok kritikusan fontos szerepére az A. terreus itakonsav fermentáció során. A kapott eredmények függvényében a fermentációs technológia eme két elemét megcélzó költségcsökkentő javaslatokat is megfogalmazunk. Interdiszciplináris (mikrobiológusokat, biomérnököket, vegyészeket is tagjai között tudó) kutatócsoportunk a felmerülő komplex tudományos kérdéseket intellektuális és technikai szempontból is képes lesz magas szinten megközelíteni, rájuk válaszokat megfogalmazni – ez talán a pályázat legfőbb erőssége a versenytársakhoz képest. A Debreceni Egyetem TTK Biomérnöki Tanszékének Kísérleti Fermentációs Üzemében lehetőség van továbbá az ipari léptékű itakonsav fermentáció komplett leképezésére és egységes tanulmányozására. Kutatásaink tágabb értelmű tudományos jelentősége a primer metabolitok túltermelésének jobb, megértése, az eukarióta sejt általános szabályozó mechanizmusainak részletesebb megismerése lesz.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A vegyi anyagok túlnyomó részét fosszilis alapanyagok (elsősorban a kőolaj) kémiai átalakítása révén nyerjük. A kőolaj kitermelésével, szállításával és finomításával kapcsolatos nehézségek miatt érthető a mikroorganizmusok metabolikus aktivitására épülő biotechnológiai eljárások iránti érdeklődés. Az itakonsavat a US Department of Energy a vegyipar számára legfontosabb 12, biotechnológiai úton előállított alapanyag egyikének választotta, köszönhetően sokféle, fontos alkalmazásának (műanyagok, kenőanyag adalékok, gyanták, hidrofób festékek előállítása). A globális itakonsav piac mérete ~ 90.000 tonna, értéke ~ 200 millió US$. Az itakonsavat fermentációs eljárással, az Aspergillus terreus fonalas gomba révén állítják elő. A technológia több olyan lépést tartalmaz, mely aránytalanul nagy anyagi és/vagy munkaerő ráfordítást igényel. A két legfontosabb ezek közül a gombatenyészet magas oldott oxigénigényének és a táptalaj csaknem tökéletes mangán (II) ion mentességének biztosítása a fermentáció teljes időtartama során. Az oldott oxigénszint biztosítása a több száz köbméter térfogatú fermentorok mechanikus keverőit működtető, nagyteljesítményű villanymotorok áramfelvétele miatt a technológia legköltségesebb eleme, a Mn(II) ionok eltávolítása pedig idő- és munkaigényes. Kutatásaink az itakonsav fermentáció ezen elemei mögött lévő lehetséges biológiai okok vizsgálatára irányulnak; a kapott eredmények függvényében költségcsökkentő javaslatokat is megfogalmazunk majd.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Itaconic acid (2-methylidenebutanedioic acid, 2-methylenesuccinic acid) was rated as one of the top 12 value-added products to industrial biotechnology by the US Department of Energy. It contains two carboxyl groups, a conjugated double bond and a methylene group, that makes it prone to being polimerized. As a consequence, it frequently serves as a building block for the synthesis of chemicals with a broad range of applications, such as plastics, lubricants, resins and hydrophobic dyes, with a combined annual global market exceeding US$ 200 million. Industrial production of itaconic acid occurs entirely by submerged, aerobic fermentation using the fungus Aspergillus terreus. This large-scale technology, despite of its continuous optimization, still contains steps that are disproportionately expensive and/or laborous, the two most important being the high dissolved oxygen requirement and the need to almost completely eliminate manganese(II) ions from the growth medium at the onset of the fermentation. The fundamental questions of this research proposal are focusing on the scholarly explanation of the underlying cell physiology behind these two elements of itaconic acid fermentation, and constitute the continuation of our research that resulted in a well-received paper from 2015. Depending on the results, we might even be able to formulate suggestions for cost-reduction on these designated areas.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Itaconic acid (2-methylidenebutanedioic acid, 2-methylenesuccinic acid) is one of the most promising bio-based product to the chemical industry. It contains two carboxyl groups, a conjugated double bond and a methylene group. As a consequence, it frequently serves as a building block for the synthesis of polimers with a broad range of applications, such as plastics, lubricants, resins and hydrophobic dyes, with a combined annual global market of over 200 million US$. Industrial production of itaconic acid occurs entirely by large-scale submerged fermentation using the fungus Aspergillus terreus. This large-scale industrial technology, despite of its continuous optimization, still contains steps that are disproportionately expensive and/or laborous. The two most critical ones are the high dissolved oxygen supply and the prerequisite to eliminate manganese(II) ions almost completely from the growth medium at the onset of the fermentation. In contrast, increasing Cu(II) ion concentration in the growth medium enhances itaconic acid yield. According to Hypothesis I., Mn(II) and Cu(II) ions play an antagonistic role in the overflow process, and the ability of the Cu(II) ions to antagonize the harmful effect of Mn(II) ions may be due to an interplay between them and the Mn(II) and/or itaconic acid transporter proteins. Hypothesis II focuses on the high dissolved oxygen requirement of the culture, and proposes a crucial role to the operation of the alternative oxidase enzyme by preventing an inhibition of carbon catabolism by ATP. Affinity of the alternative oxidase towards oxygen is always lower than that of the cytochrome-dependent oxidase, hence it requires high oxygen levels.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Itaconic acid (2-methylidenebutanedioic acid, 2-methylenesuccinic acid) is an important bio-based feedstock for the chemical industry, frequently serving as building block for the synthesis of polimers with a broad range of applications, such as plastics, lubricants, resins and hydrophobic dyes. It is produced entirely by aerobic, submerged fermentation employing the fungus Aspergillus terreus. This large-scale industrial technology, despite of its continuous optimization, still contains steps with disproportionate costs. The two most critical ones are the massive dissolved oxygen requirement and the prerequisite to eliminate manganese(II) ions almost completely from the growth medium at the onset of the fermentation. This research proposal focuses on the scholarly explanation of the cell physiology behind these two elements of itaconic acid fermentation, and constitute the continuation of our research that resulted in a well-received paper from 2015, in which we described for the first time the detrimental effect of Mn(II) ions to itaconic acid yield. Depending on the results, we might even be able to formulate suggestions for cost-reduction on these designated areas. Our interdisciplinary research group comprised of microbiologists, biochemical engineers and chemists will be capable of approaching the emerging, complex scientific issues on a high professional standard both intellectually and technically. This may be the biggest advantage of this proposal over our competitors. Moreover, the state-of-the art infrastructure of the Fermentation Pilot Plant at the Department of Biochemical Engineering of the University of Debrecen would allow us to model itaconic acid fermentation in its entire complexity and to study it as a unified process. In the wider sense, our research would enable us to understand the metabolic overflow of primary metabolism and the general regulatory mechanisms of the eukaryotic cells in more details.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Currently, fossil materials (mainly crude oil) are still the most important feedstocks for the chemical industry, but issues regarding its exploitation, logistics and refinery made bio-based feedstocks – produced through microbial metabolic activity – a lucrative and rapidly growing alternative. Itaconic acid was rated as one of the top 12 value-added products to industrial biotechnology by the US Department of Energy due to its broad application spectrum such as plastics, lubricants, resins and hydrophobic dyes. Industrial production of itaconic acid occurs entirely by fermentation using the fungus Aspergillus terreus. Annual global itaconic acid production totals at around 90.000 tons that values some 200 million US$. Nonetheless, the technology has a few steps that are disproportionately expensive and/or laborous. The two most critical of those are the high dissolved oxygen requirement of the fungal culture that requires extensive agitation and, hence, massive power supply as well as the need to almost completely eliminate manganese(II) ions from the growth medium at the onset of the fermentation, which is time-consuming and laborous. Our research focuses on the biological reasons behind these elements of itaconic acid fermentation. Depending on the results, we might even be able to formulate suggestions for cost-reduction on these areas.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
