ERA-NET: Thermophilic cell factories for efficient conversion of brown algae biomass to high-value chemicals

Prosjektet ThermoFactories har representert et godt Europeisk samarbeid som har akselerert forskning og utvikling knytta til utvikling av genetisk modifiserte mikroorganismer til cellefabrikker for omsetning av marine råmaterialer til bærekraftig produksjon av industrielle og medisinske kjemikalier. Vi har utforsket og genetisk engineert i alt fire ulike termofile bakterier, alle med nedarvet gunstige egenskaper mht å kunne operere under tøffe vekstbetingelser, for produksjon av flere kommersielle kjemikalier, inkludert 1,2-propanediol, kadaverin, GABA, propanol og lycopene. Parallelt med dette genetiske arbeidet, så har vi hatt fokus på utvikling av marine råmaterialer som vekstkilde for disse bakteriene, inkludert prosess optimering for makroalge hydrolysater, og sikre integrering med nedstrøms prosessering og produkt rensing. Prosjektets to norske partnere, NTNU og Sintef, har hatt særlig forskningsfokus på høsting av makroalger langs norske kysten og opparbeidelse av hydrolysater av disse som muliggjøre anvendelse som råmateriale for bakterielle kultiveringer. Mere spesifikt, vi har i prosjektet demonstrert vekst av våre termofile modell organismer på Saccharina latissima ekstrakter, og også demonstrert produksjon av både kadaverin og GABA fra disse fornybare råmaterialene. Mannitol er den viktigste karbon komponenten i slike marine makroalge ekstrakter og vi har i prosjektet også gjennomført første oppskalerte fermentering av Bacillus methanolicus med mannitol som eneste karbonkilde og dertil overproduksjon av kadaverin. Vi har i prosjektet eksperimentelt bevist at Bacillus methanolicus har et funksjonell MEP spor og vist at denne bakterien kan være en plattformorganisme for også produksjon av terpenoider fra fornybare marine råmaterialer, og dette arbeidet ble nylig publisert (Hakvåg et al 2020; Irla et al 2020). Vi har også demonstrert at Bacillus methanolicus kan vokse effektivt på ekstrakter preparert fra en annen makroalge, Laminaria digitata, og dette arbeidet ble også nylig publisert sammen med prosjektpartnere fra Sverige, Island og Portugal (Leila et al., 2020). Til sammen, prosjektresultatene fra ThermoFactories har bidratt til å utvikle marine bioraffineri konsepter basert på å bruke marine makroalger som råmateriale for bærekraftig produksjon av flere kommersielt interessante kjemikalier.

ThermoFactories et internasjonalt betydelig internasjonalt konsortium innenfor marin bioteknologi med utmerkede nettverks- og kommunikasjonsmuligheter. Resultater og teknologi utviklet i ThermoFactories har direkte implikasjoner for samfunnet og bidrar til bærekraftig produksjon av biobaserte produkter fra fornybare marine ressurser. Makroalger dyrkes og høstes i stor skala globalt og mye av råmaterialet er ennå underutnyttet og i dette prosjektet har vi demonstrert at vi kan opparbeide dette materialet til et glimrende vekstmedium for industrielle mikroorganismer. Koblet sammen med utvikling av mikrobielle termofile cellefabrikker har vi demonstrert hvordan marine råmaterialer kan konverteres til industrielt og medisinsk verdifulle kjemikalier (Hakvåg et al; 2020; Irla et al 2020; Leila et al 2020). ThermoFactories leverer biologiske materialer, teknologi, produkter og prosesser som er anvendelige for industrien, samt nye grunnleggende kunnskap relevant for forskning og utvikling.

Brown algae biomass is a promising and challenging resource for industrial bioconversions, but there is a need to develop efficient cell factories to convert the constituent carbohydrates into high-value added products. In this proposal, four metabolically different environmental bacteria, inherently suitable to harsh process conditions, will be engineered for production of a number of industrially important platform and specialty chemicals, including 1,2-propanediol, cadaverine, propanol and lycopene. We have selected four metabolically different chassis organisms and we will implement and integrate approaches and methodologies of microbiology, Synthetic, and Systems Biology, metabolic engineering and adaptive evolution. By rational selection of organisms followed by rounds of optimization/reconstruction using model-based metabolic engineering, thermophilic cell factories will be developed for sustainable and cost-efficient production of selected value-added chemicals. Feedstock development and process engineering are important parts, to optimize fermentability of the algal hydrolysates, and ensure integration with downstream processing and product recovery. By recruiting expertise across various disciplines, ThermoFactories represents a concerted European effort to accelerate research and development of bioconversion organisms redesigned or streamlined for efficient and economical production of specific industrial compounds. At the end of the project, use of all major carbohydrate fractions from brown algae through integrated processing will be demonstrated at small pilot scale.