Physiology of Caldicellulosiruptor saccharolyticus: a hydrogen cell factory

Abstract: Popular Abstract in Swedish Biovätgas är en mycket energirik och förnyelsebar energikälla för bilar och elproduktion som genererar mycket lite av växthusgasen koldioxid. Vätgasen kan framställas av billiga råvaror såsom hushållsavfall, industriellt avfall och av lignocellulosa. Lignocellulossa är en komplex polymer som finns bland annat i olika träslag och gräs. Detta leder till att råvaropriset minskar och att produktionen av biovätgas inte konkurrerar med livsmedelsproduktionen. Den största utmaningen för biovätgas är att vätgasutbytet, dvs. den mängd vätgas per förbrukad råvara, är mycket lågt. Detta arbete är unikt i sitt slag eftersom det fokuserar på en bakterie, Caldicellulosiruptor saccharolyticus, som kan omvandla ett brett spektrum av råmaterial till vätgas, med ett maximalt vätgasutbyte, vilket aldrig har avhandlats förut. Bakterien isolerades från en träbit i en varmkälla i New Zeeland. Bakterien förökar sig optimalt vid 70ºC och endast i syrefria miljöer. Jag har studerat hur olika processparametrar, såsom högt eller lågt vätgas- eller koldioxidtryck, påverkar dess tillväxt, vätgasutbyte och metabolism. Bland annat har jag sett att vid ett högt koldioxidtryck ökar saltkoncentrationen i tillväxtmediet vilket i sin tur inhiberar bakteriens tillväxt och leder till minskad vätgasproduktivitet. Ett högt vätgastryck kan också leda till ett reducerat vätgasutbyte eftersom det inhiberar själva vätgasproduktionen vilket resulterar i ökad mjölksyraproduktion. På samma sätt som våra muskler bildar mjölksyra som en slaggprodukt vid ofullständig förbränning vid syrebrist, kan bakterien bilda mjölksyra för att upprätthålla förbränningen när det finns för mycket vätgas i dess omgivning. I mitt arbete har jag identifierat vilka parametrar och signalmolekyler, både i tillväxtmediet och inuti cellen, som orsakar minskad vätgasproduktion och ökad produktion av mjölksyra och etanol, en annan oönskad metabol biprodukt. Jag har även studerat varför Caldicellulosiruptor saccharolyticus har bättre förutsättningar att producera mer vätgas än andra närbesläktade bakterier. Den höga tillväxttemperaturen spelar en avgörande roll, eftersom den påverkar termodynamiken i systemet och gör att vätgasreaktionen blir mer fördelaktig. En annan viktig drivkraft är energimetabolismen. Precis som hos oss människor måste Caldicellulosiruptor saccharolyticus få i sig kolhydrater som sedan kan omvandlas till energi. Eftersom denna bakterie har anpassats till en miljö med låga kolhydratskoncentrationer, har den utvecklat effektiva transportsystem för kolhydrater. Förutom att bakterien kan tillgodogöra sig låga halter av kolhydrater utvinns så mycket energi som möjligt vid vätgasproduktionen, vilket förklarar varför Caldicellulosiruptor saccharolyticus är mer benägen att producera vätgas än andra närbesläktade bakterier. Generellt kan man säga att Caldicellulosiruptor saccharolyticus besitter många egenskaper som är användbara i en framtida biovätgasproduktion. Vikten av att studera bakteriers metabolism, för att optimera processen och framställa höga kvantiteter av vätgas, framhävs i denna avhandling. Dessutom rekommenderas att isolera bakterier med liknande fysiologiska egenskaper som Caldicellulosiruptor saccharolyticus.