From the ocean to sustainable biorefinery: the dormant potential of seaweed

Bioteknologiske prosesser som krever dyrking av mikroorganismer er avhengig av bruk av sukker og andre karbohydrater som råmaterialer, dyrkamark som heller skulle vært brukt til å produsere mat og for til mennesker og dyr. For å motvirke denne situasjonen er det avgjørende å utvikle grønnere bioprosesser som anvender alternative bærekraftige råmaterialer som ikke krever bruk av dyrket mark. Makroalger, også kjent som tang, kan representere et lovende alternativ som råmateriale i bioprosesser, av flere årsaker: dyrking av tang beslaglegger ikke dyrkbar jord og heller ferskvann, i tillegg vokser tang relativt raskt og akkumulerer enorme mengder karbohydrater som kan brukes i miljøvennlige bioprosesser; og til sist, Norge er et av de store tangreservoarene i verden. Dessverre er tangrelaterte karbohydrater atypiske, og vanlige mikroorganismer som brukes i fermenteringsindustrien mangler typisk evnen til å utnytte seg disse for vekst og energi. Derfor har dette prosjektet som mål å undersøke og utnytte de naturlige mekanismene til den innfødte mikrobiotaen som vokser på overflaten av tang for å bryte ned og anvendelig gjøre disse atypiske karbohydratene. Kunnskapen og teknologien som genereres skal implementeres i industrielt relevante mikroorganismer, også kalt mikrobielle cellefabrikker for å produsere industri-relevante molekyler inkludert aminosyrer. Endelig vil disse tangbaserte cellefabrikkene bli testet under ulike betingelser i bioprosesser med ekte tang og som bevis på en bærekraftig bioteknologisk tilnærming som har potensial til å stimulere den sirkulære bioøkonomien.

Historical reliance on oil and other fossil fuels is dragging serious environmental problems, worsened by increased population growth. Therefore, there is a need for efficient new conversion technologies. Seaweed is a promising feedstock for microbial bioprocesses due to its high growth rates, great biomass production yields, abundance of fermentable carbohydrates, lack of arable land needed and no freshwater requirement for cultivation. However, at present, the fermentative use of seaweed is quite underexplored. Challenges revolve around the recalcitrance of seaweed polysaccharides and the crude mixture of seaweed sugars, which differ substantially from terrestrial crops. The WeedNERY project aims to develop the knowledge and technology to enable access to brown and red seaweed carbohydrates for microbial processes. Bioprospecting through metagenomic and bioinformatic studies is suited to gain access to seaweed degradation enzymes by studying the enzyme space of seaweed degrading microbiota. The identified enzymes could be used to engineer microbes for proper utilization of macroalgae as promising biomass for low-carbon bioeconomy. Uncovering the mechanisms of gene regulation under specific conditions is of fundamental importance in biotechnology, yet genetic alterations due to the presence of non-native substrates have rarely been studied and applied. Here, we will apply a novel approach based on the deactivated CRISPR technologies to transcriptomic-driven optimal seaweed-based biofactories. In addition, engineering feedstock access will be coupled to production of selected compounds to strengthen the biorefinery concept and the circular economy. We have chosen as target compounds the essential amino acid L-lysine, the compatible solute ectoine, and the precursor of immunosuppressant and antitumor bioactives L-pipecolic acid, all derived from a common biosynthesis pathway. To go beyond proof-of-concept, seaweed-based bioprocesses in bioreactors will be shown here.