BIONÆR-Bionæringsprogram

Keratin er et vanskelig nedbrytbart fibrøst protein og den vanligste forekommende biologiske polymeren i naturen etter cellulose og kitin. Dyr og fugler har utviklet en rekke keratin-holdige strukturelle komponenter som f.eks. fjær, hår, klover, horn, negler etc. Keratinets motstandsdyktige egenskaper er forårsaket av et høyt innhold av flere ulike kjemiske kryssbindinger som virker beskyttende mot både biologisk, fysisk og kjemisk nedbrytning, og keratin-holdig vev og avfallsprodukter representerer derfor en betydelig utfordring for industriell gjenvinning/gjenbruk av visse avfallsprodukter fra landbruket. Fuglefjær består f.eks. av mer enn 90% keratin og representerer et enormt avfallsproblem for fjærkre-industrien. Det meste av fjær-avfallet ender opp i store deponier eller det blir brent. En liten del av fjær-restråstoffet omdannes og brukes til fôr og gjødsel, men dette er en relativt ineffektiv utnyttelse. I ThermoK prosjektet tar vi sikte på å forstå og optimalisere fjærnedbrytningsprosessen hos utvalgte anaerobe varme-elskende bakterier med evne til å bryte ned keratin, samt å utlede de enzymatiske mekanismene for biologisk og biokjemisk keratin-nedbrytning. I prosjektets første fase har vi undersøkt en rekke bakterier tilhørende slekten Fervidobacterium for deres kapasitet til å bryte ned fjær. Sju arter har litt identifisert som spesielt aktive. Vi har fullført en fullstendig genomsekvensering av 6 arter/stammer ved å kombinere Oxford Nanopore og Illumina Technology. Dsse genomene har blitt analysert og annotert for å finne potensielle gener som kan ha en funksjon i keratinnedbrytnings prosessen og sammenlignet. For 3 av disse stammene har vi også fullført komparative transkriptomikkanalyser ved vekst på fjær som substrat versus glucose som eneste energi- og karbonkilde for å identifisere gener som uttrykkes sterkere under keratinolytisk vekst. En rekke overuttrykte peptidase- og protease-kodende gener er blitt identifisert i disse eksperimentene i de mest aktive stammene. Tilsvarende har proteomikk-baserte analyser av cellebundne proteiner og proteiner utskilt fra cellene til det ekstracellulære miljøet identifisert en rekke proteiner som er overuttrykt under keratinolytiske vekstforhold og enten er cellebundne eller utskilt fra cellene. Ved å bruke disse tilnærmingene har omtrent 20 gener som koder for proteaser og peptidaser funnet å bli sterkere uttrykt under keratinolytiske forhold, noe som indikerer at disse genene/enzymene spiller viktige roller i den fjærnedbrytende prosessen. Videre, ved å kombinere alle de oppregulerte proteinene som ble funnet i proteomikk-eksperimentene med de overuttrykte genene fra transkriptomiokkanalysene, har vi laget et gen-nettverk for hver av de 3 stammene med mer enn 100 overuttrykte gener under keratinolytiske vekstforhold. Disse genene er sannsynligvis biologisk/funksjonelt forbundet, og ytterligere analyser kan føre til en bedre forståelse av nedbrytningsprosessen for keratin. Dette arbeidet er gjort i samarbeid med den Franske partneren. I samarbeid med partnerne fra UK og Sør-Afrika har flere av protease-kandidatene blitt produsert vha. heterolog genekspresjon i E. coli, renset og karakterisert. Prosjektet har potensial til å føre til en bedre forståelse og kontroll av keratinnedbrytnings-prosessene og økte muligheter for å forbedre anvendelsen av keratinnedbrytende bakterier og deres enzymer på en kostnadseffektiv og kontrollerbar måte. ThermoK har samlet et internasjonalt tverrfaglig konsortium av forskere for å utvikle disse prosessene, og inkluderer oppskalering til større bioreaktorer. Prosjektet vil bidra til utforming av mer bærekraftige og fleksible mat-verdikjeder og til sirkulær bioøkonomi-konseptet ved å omdanne avfall fra landbruket til anvendbare og mer verdifulle kommersielle produkter som proteiner, peptider, aminosyrer, fiskefôr og gjødsel.

Keratin is a fibrous and recalcitrant structural protein and is the third most abundant polymer in nature after cellulose and chitin. A wide spectrum of animals have developed a diversity of keratins used as structural parts of their outer protection which make up major component of feathers, hair, horns, hooves, cloves, nails etc. Their recalcitrant nature is due to properties such as a high degree of cross-linking by disulphide bonds, hydrogen bonds and hydrophobic interactions. Keratin-laden tissues represents a significant challenge for the animal rendering industry. For example, feathers consist of more than 90% keratin and represent a huge waste product of the poultry industry, where most ends up in landfills or is being burned. Similar challenges exist for other keratin-containing biomass waste. Today, most feather waste is discarded or ineffectively rendered for animal feed or fertilizer. This project will address the application of selected anaerobic thermophilic bacteria which can be optimized for keratin-laden waste material degradation as well as the understanding of the enzyme activities within the bacterial species responsible for this degradation. This will lead to improved control and understanding of the overall keratin-degrading process and its improvement and efficiency by using organisms expressing the required activities or using novel enzyme cascades of thermophilic keratin degrading enzymes in vitro optimised for keratin breakdown in a cost effective and controllable manner. ThermoK will bring together a multidisciplinary team of academics in order to take the results obtained to a transfer level 5 and above, including upscaling of the process. The project will contribute to the designing of more sustainable and resilient food systems and contribute to the vision of a circular economy by using waste products and converting them to other valuable commercial products including peptides, amino acids, fish feed and agricultural fertilizers.