已经发现了一种更环保和可持续的生产有用的化学物质1,2,4-丁三醇的方法。神户大学团队是世界上第一个使用一种方法，利用工程酵母菌株直接发酵稻草中的木糖来生产1,2,4-丁三醇的方法。在进行这项研究的过程中，该团队成功克服了两个瓶颈，最大限度地提高了产量。

该研究由学术研究员Takahiro Bamba和Akihiko Kondo教授(来自科学，技术和创新研究生院)和Tomohisa Hasunuma教授(工程生物学研究中心)进行。

1,2,4-丁三醇使用和目前的生产方法：

商品化学品1,2,4-丁三醇在不同领域具有广泛的实际用途。例如，它可以用于溶剂的生产和合成各种药物产品 - 例如抗病毒和降低胆固醇的药物等。

目前生产1,2,4-丁三醇的方法使用衍生自油的原料并产生对环境有害的副产物。生产该化学品最常用的方法是使用硼氢化钠(NaBH 4)将苹果酸化学还原为1,2,4-丁三醇。然而，该过程产生大量硼酸盐。处理这些盐会造成污染。铬铁矿和铷也可用作1,2,4-丁三醇生产的催化剂，但这些方法需要高温和高压，并且还会产生有毒副产物。

从木质纤维素生物质(干燥植物物质)中获取木糖(第二丰富的天然糖)并将其用于生产化学品具有多种优势，因为它是一种可再生资源，可以减少环境污染。它为石油生产提供了可持续的替代方案。

方法

如图1所示，1,2,4-丁三醇是由微生物通过细胞内的5阶段反应过程产生的。

然而，在反应的步骤1,3和4中，没有酶在酵母中提供催化剂。在该研究中，稻草水解产物用于生产木糖。使用的酵母用所需的酶进行基因工程改造，以便成功地产生1,2,4-丁三醇的有效产率。

在第一次成功试验中，仅产生0.02g / L的1,2,4-丁三醇。通过检查这些结果，显然酵母细胞内的阶段3和阶段4的催化活性不足。这意味着反应在第3和第4阶段减慢。这些反应被认为是瓶颈。

图3：用于发酵的稻草水解产物。图片来源：神户大学

由于在阶段3中在xylonate脱水酶催化剂结构内存在铁硫簇，很明显酵母难以维持与细胞中铁硫蛋白的反应。这是由于酵母细胞内铁硫簇的量不足。

铁(Fe)对于酵母细胞产生1,2,4-丁三醇是必需的，但是过多的铁会损害细胞。利用代谢工程(优化细胞内的调节和遗传过程以增加特定物质的产生)来进一步遗传修饰酵母以增加其铁代谢。这改善了酵母与木糖酸脱水酶的反应性，并确保形成功能性Fe-S酶(图2)。使用这种经过修饰的酵母菌株可将催化活性提高约6倍。

此外，通过使用KdcA(衍生自乳酸乳球菌 - 一种常用于食品工业中的发酵的细菌)作为脱羧酶来克服第4阶段瓶颈，以提供足够的催化活性。

结果

最终，当使用工程酵母时，该方法成功地产生1.7g / L的1,2,4-丁三醇。此外，通过在发酵实验期间用作培养基的稻草水解产物溶液产生1.1g / L的1,2,4-丁三醇(图3)。

该研究表明，使用类似方法生产其他需要铁硫蛋白的化学品是可能的。通过进一步研究优化本研究中的代谢途径将允许从木质纤维素生物质中更多地产生有用的化合物。这可能会减少未来对有限石油资源和污染生产方法的依赖。