ERA-NET: In vivo cascades for sustainable access to monomers of high volume polymers

Materialer laget fra polymerer har blitt viktige i våre daglige liv og genererer store verdier i den globale økonomien. Disse materialene finner man i alt fra høy-kostnadsprodukter som biler, fly, eller medisinsk utstyr, til daglige forbruksvarer. På grunn av den utstrakte bruken er det nødvendig å produsere polymerer i mengder som måles i mega tonn. Dessverre er det kritiske miljøkonsekvenser forbundet med produksjonen av enkeltelementene i polymer-materialene, slik som produksjon av nitrogenoksider, store mengder med saltholdige forbindelser og et meget høyt energiforbruk. Det er derfor nødvendig å utvikle bærekraftige og øko-vennlige alternativer for produksjonen av byggesteinene i polymermaterialene. Vårt prosjekt har taklet disse utfordringene ved å utvikle en platformorganisme for produksjonen av høy-verdi polymeret nylon 6 og andre polymerer. Dette er basert på enzymer som kommer fra en ny-oppdaget bakterietype. I dette prosjektet har målet vært å utvikle en Pseudomonas stamme med egenskaper som gjør den tolerant for produksjonskjemikalier og som kan vokse i biofilm, slik at den kan bli en ekte platform-organisme for syntesen av mange-polymer byggesteiner som starter fra sykloheksan. I løpet av dette prosjektet har laget en høy-kvalitets genom-skala modell for pseudomonas organismen. Samarbeidsparnere i Tyskland har gjennomført eksperimenter og utført genmodifikasjoner på organismen som viser at den er i stand til å produsere de ønskede polymerene i store mengder med sykloheksan som utgangspunkg. I prosjektperioden har vi testet ut forskjellige eksperimentelle design for å få til høy-volum produksjon. I tillegg har prosjektpartnere analysert det totale energi-regnskap for produksjonsprosessen.

Dette prosjektet har vært i stand til å etablere Pseudomonas taiwanensis VLB120 som en organisme med evne til å produsere store mengder av ønskede nylon-precursors fra sykloheksan. I dette prosjektet har det også vært stort fokus på bioprosessdesign, og utvikling av effektive bioreaktorer. Resultatene viser at vi har vært i stand til å gjennomføre målsetningen med å generere en platform organisme som er i stand til å produsere ønskede molekyler i store mengder.

Polymers have become increasingly important to our every day lives and contribute significantly to value generation in our economies, with examples of application of polymers ranging from high end applications in cars, planes, or medical equipment to items of daily use. Polymers have a vast application spectrum and are needed on multiple mega ton scales. Polymer building blocks like adipic acid or e-caprolactam have a couple of critical environmental issues connected to their production processes, such as generation of nitrous oxide waste and large amounts of salts and high energy consumption. Thus, there is a pressing demand for the development of ecoefficient and sustainable alternative production routes for such compounds. Nonetheless, all "bio"-inspired routes are commonly tailored for one single compound; a hurdle biotechnological developments very often feature. Our project faces the challenge of developing a platform organism for the production of precursors for the high end polymer nylon 6 and other polymers. This task is based on enzymes derived from a novel strain which was isolated based on its capability to mineralize cycloalkanes (C5-C8) using these as sole sources of carbon and energy. Taking advantage of the highly active cyclohexane degrading enzymes of the respective degradation pathway this research program will develop a solvent tolerant, biofilm forming Pseudomonas strain towards a true platform organism for the synthesis of various polymer building blocks starting from cyclohexane. This concept will combine heterologous and native genes. Key products will be e-caprolactone, 6-aminohexanoic acid, and adipic acid. Looking at the complete process development chain in terms of biocatalyst understanding and design, reaction and reactor engineering in an integrating and iterative manner, focusing on one host for multiple products, and accompanying this work with an eco-efficiency balance represent the key-characteristics of this work program.