Tilbake til søkeresultatene

BIOTEK2021-Bioteknologi for verdiskaping

DL: OXYMOD - Optimized oxidative enzyme systems for efficient conversion of lignocellulose to valuable products

Alternativ tittel: OXYMOD - Optimaliserte redoks-enzymsystemer for effektiv bearbeiding av lignocellulose

Tildelt: kr 20,0 mill.

I OXYMOD prosjektet jobber forskere med ulik kompetanse sammen for å oppdage, forstå og videreutvikle enzymsystemer for effektiv konvertering av lignocellulose fra norsk biomasse til verdifulle produkter som sukker og aromatiske kjemikalier. Såkalte redoksenzymer har et stort potensiale i depolymerisering av cellulose, hemicellulose og lignin, men å studere disse enzymer er vanskelig og krever en systematisk tilnærming. Således vil OXYMODs tilnærming gå mye lenger enn «vanlig» leting etter nye enzymer («bioprospektering»). Vi studerer samspillet mellom redoksenzymene og deres ko-faktorer og reaksjonspartnere, samt samspillet mellom disse nye enzymer og vanlige hydrolytiske enzymer. OXYMOD studerer disse enzymsystemer i en samling av ca. 1000 marine actinobakterier som har fått sine genomer sekvensert. OXYMOD kombinerer biovitenskap (enzym biokjemi, enzymproduksjonsteknologi, mikrobiell bioteknologi, high throughput screening, avanserte analyse), IKT (bioinformatikk, håndtering av store datamengder), matematikk (enzymsystem- og prosess-modellering) og «engineering» (enzym evolusjon, syntetisk biologi) for å utvikle nye biokatalytiske systemer for industriell anvendelse. Vårt fokus er først og fremst på å utvikle enzymløsninger for landbruket og skogsektoren. Foruten enzymene og enzymsystemene i seg selv, vil nyskapninger fra OXYMOD bestå av veldefinerte produktstrømmer, i første rekke sukker, fra (hemi-) cellulose, og aromatiske forbindelser, fra lignin, med nedstrøms applikasjoner (biodrivstoff, bioplast. fôr). Ytterligere anvendelser kan tenkes, som for eksempel utvikling av grønne (= enzymatiske) metoder for fremstilling av finkjemikalier. Vi har gjennomført store bioinformatiske analyser og funnet enzymkandidater som har blitt produsert og karakterisert. Det måtte legges mye energi i å få enzymene produsert, noe som blant annet skjer ved bedriftspartner Vectron, som har utviklet et nytt system for protein produksjon i Streptomyces som er unik for Norge og svært nyttig for flere prosjekter. Vi jobber med enkeltenzymer som i seg selv har interessante applikasjoner og her har vi gjort stor framgang (blant annet to PNAS artikler). Basert på disse resultater har vi studert komplette enzymsystemer, altså blandinger av samhandlende enzymer, slik som de finnes i naturen. Vi har måttet bruke uforventet mye energi på å studere såkalte abiotiske faktorer (f eks tilstedeværelse av metallioner, redox-aktive småmolekyler, og oksygen), fordi det i prosjektet har vist seg at disse faktorer har store effekter på enzymsystemenes effektivitet. For å kunne forstå og modellere våre enzymsystemer, må enzymenes egenskaper analyseres veldig nøye; derfor utfører vi en del mer avanserte studier av struktur, dynamikk og funksjon (kinetikk), delvis i samarbeid med våre Portugisiske prosjektpartnere. Vi har tett dialog med flere interesserte bedrifter og innovasjonseksperter fra både Digital Life og NMBU. Begge deltar regelmessig i prosjektmøtene. Prosjektet har en aktiv RRI komponent, og en stipendiat har levert en avhandling som er delvis basert på RRI arbeid i prosjektet. Viktige framskritt fra 2022 er blant annet: - Publisering av flere artikler og forsvar av en doktorgrad som viser hvordan redox enzymsystemer best kan brukes i bioprosessering av biomasse. Med NTNU, NMBU og SINTEF. - Bra samarbeid med våre portugisiske partnere som har ført til flere artikler, deriblant en grunnleggende artikkel som for første gang beskriver grundig «syklisk voltametri» av LPMOer, og en banebrytende artikkel som kommer i Nature Communications og som viser at også lys spiller en rolle i disse enzymsystemer. Flotte fellespublikasjoner. Med NTNU, NMBU og SINTEF. - Mye ny innsikt, delvis NMR-basert, i hvordan man best kan bruke lytiske polysakkaridmonooksygenaser (LPMOs), et av de "hotteste" nåværende industrielle enzymene. NTNU & NMBU. - Publisering av en artikkel om RRI-metodikk. NTNU. - Vellykket forsvar av den RRI-relaterte doktorgraden. NTNU. - Fremgang i enzymuttrykk i Streptomyces, utviklet ved Vectron. Høydepunkt: vellykket uttrykk og sekresjon av en LPMO og induserbar ekspresjon av eGFP. Med NTNU og SINTEF. - Basert på ny innsikt fra OxyMod planlegges det store pilotforsøk i St1’s sine anlegg hvor funnene fra OxyMod skal testes i industriell skala. Med NMBU. - Det jobbes med å følge opp flere andre funn fra OxyMod, deriblant å ta i bruk lignin-modifiserende enzymer, som ble oppdaget gjennom «high-thoughput-screening» i OxyMod, i nye bioprosesser.

Prosjektet har ført til nye nasjonale og internasjonale samarbeidskonstellasjoner som har ført til ny kunnskap og fellespublikasjoner. Vi har fått gjort ting, og gjort vitenskapelige framskritt som ville ha vært umulig uten dette prosjektet. Samspillet med Portugisiske partere har tilført en ny dimensjon tik norsk enzymforskning. Prosjektet har vært med på å danne grunnlaget for SFI Industriell Bioteknologi (2020-2028) men har også bidratt til å skape grunnlaget for andre prosjekter, deriblant et meget innovativt og tverrfaglig «blue-sky» ERC-Synergy prosjekt, hvor Eijsink (NMBU) er av fire PI (da andre PI er fra UiO, Italia og Tyskland). En annen follow-up er det nye Enzyclic prosjektet (ledet av Gustav Vaaje-Kolstad) hvor vi skal videreutvikle de redoksenzymene som vi har studert i OxyMod for bruk i enzymatisk resirkulering av plast. Prosjektet har gitt mye detaljert innsikt i hvordan redoksenzymer best kan anvendes i enzymatisk prosessering av platebiomasse og spesielt cellulose. Det har vært fortløpende dialoger med Borregaard og St1. Borregaard fullførte i 2020 et stort pilotforsøk (4000 liter skala) basert på kunnskap fra flere prosjekter, deriblant OxyMod. I 2022 har det vært en del samarbeid med St1 og pilotskala forsøk kan bli aktuelle i 2023. RRI arbeidet i prosjektet har ført til mye større bevissthet rundt, og kunnskap om, de prosessene som må til for å oppnå kunnskapsbasert innovasjon. Videre vil RRI arbeidet i OxyMod påvirke hvordan vi nærmer oss tverrfaglig forskning innen etikk, og gjøre oss i stand til å involvere prosjektpartnere mer direkte i empirisk etikkbasert forskning. Oxymod har videre ledet til et DLN/RoadMap to Innovation finansiert prosjekt som heter «InnoFree», med NMBU og Ard Innovation. Den vitenskapelige outputen fra OxyMod rundt enzymatisk prosessering av lignocellulose blir lagd merke til verden over og har vært presentert nasjonalt of internasjonalt gjennom flere plattformer.

The OXYMOD project will through a transdisciplinary approach define, develop and demonstrate applicability of new enzyme systems for the efficient biocatalytic conversion of lignocellulose from abundant Norwegian biomass into valuable products like sugars and aromatic building blocks. OXYMOD will focus on the still largely underexplored group of redox enzymes and their potential in the depolymerisation of cellulose, hemicellulose and lignin, including aspects such as redox enzyme interplay, co-factors and reaction partners, as well as their interplay with hydrolytic enzymes. OXYMOD will address these enzymes and enzyme systems as they occur and function in, among others, a unique in-house collection of approx. 1000 marine Actinobacteria isolates with genomes recently sequenced. Redox enzymes require co-factors and redox partners, and there is a considerable degree of cooperativity between different enzyme classes. Enzyme systems-scale understanding and eventually engineering the efficient degradation of lignocellulose by these enzyme systems, requires an integrated transdisciplinary approach far beyond 'simple' enzyme discovery. OXYMOD combines life sciences (enzyme biochemistry, enzyme production technology, microbial biotechnology, high throughput screening, advanced analytics), ICT (bioinformatics, big data handling), mathematical sciences (enzyme systems modelling, process modelling) and engineering (enzyme evolution, synthetic biology) for producing new and optimized biocatalytic systems for industrial application, primarily within the agricultural and forest sectors. Besides the enzymes and enzyme systems themselves, additional innovations from OXYMOD concern the generation of well-defined products streams, primarily sugars from (hemi-)cellulose and aromatic building blocks from lignin for a variety of downstream applications (e.g. biofuels & bioplastics).

Publikasjoner hentet fra Cristin

Budsjettformål:

BIOTEK2021-Bioteknologi for verdiskaping

Temaer og emner

NordområdeneIKTIKT - Bruk og anvendelser i andre fagAvanserte produksjonsprosesserNordområdeneKlima, miljø og biologiske ressurserMarinPortefølje Klima og miljøEtiske, juridiske og samfunnsmessige aspekterBioteknologiMarin bioteknologiBioteknologiLandbruksbioteknologiDelportefølje InternasjonaliseringIKTIKT - Som fag og teknologiLTP3 Hav og kystNaturmangfold og miljøIKTMiljøteknologiLTP3 Marine bioressurser og havforvaltningBioteknologiIndustriell bioteknologiInternasjonaliseringMiljøteknologiAnnen miljøteknologiMarinMarin bioteknologiDelportefølje Et velfungerende forskningssystemBioøkonomiNaturmangfold og miljøMiljøteknologiAvanserte produksjonsprosesserAvansert produksjonsteknologi som fag og teknologi (ny fra 2015)LTP3 Et kunnskapsintensivt næringsliv i hele landetDelportefølje KvalitetLTP3 IKT og digital transformasjonLTP3 Klima, polar og miljøLTP3 Muliggjørende og industrielle teknologierLTP3 Bioøkonomi og forvaltningBransjer og næringerNaturmangfold og miljøSirkulær økonomiPolitikk- og forvaltningsområderNæring og handelLTP3 Fagmiljøer og talenterBransjer og næringerProsess- og foredlingsindustriPolitikk- og forvaltningsområderFiskeri og kystPortefølje InnovasjonLTP3 Styrket konkurransekraft og innovasjonsevneGrunnforskningInternasjonaliseringInternasjonalt prosjektsamarbeidPortefølje Mat og bioressurserPortefølje Muliggjørende teknologierLTP3 Høy kvalitet og tilgjengelighetPolitikk- og forvaltningsområderSkog, landbruk og matLTP3 Klima, miljø og energiBioteknologiLTP3 Nano-, bioteknologi og teknologikonvergensKlimarelevant forskningPortefølje Banebrytende forskningPolitikk- og forvaltningsområderPortefølje ForskningssystemetSirkulær økonomi