In vitro conversion of glycerol to lactate with thermophilic enzymes
Creators
- 1. Chulalongkorn University
- 2. Osaka University
Description
Abstract Background In vitro reconstitution of an artificial metabolic pathway has emerged as an alternative approach to conventional in vivo fermentation-based bioproduction. Particularly, employment of thermophilic and hyperthermophilic enzymes enables us a simple preparation of highly stable and selective biocatalytic modules and the construction of in vitro metabolic pathways with an excellent operational stability. In this study, we designed and constructed an artificial in vitro metabolic pathway consisting of nine (hyper)thermophilic enzymes and applied it to the conversion of glycerol to lactate. We also assessed the compatibility of the in vitro bioconversion system with methanol, which is a major impurity in crude glycerol released from biodiesel production processes. Results The in vitro artificial pathway was designed to balance the intrapathway consumption and regeneration of energy and redox cofactors. All enzymes involved in the in vitro pathway exhibited an acceptable level of stability at high temperature (60°C), and their stability was not markedly affected by the co-existing of up to 100 mM methanol. The one-pot conversion of glycerol to lactate through the in vitro pathway could be achieved in an almost stoichiometric manner, and 14.7 mM lactate could be produced in 7 h. Furthermore, the in vitro bioconversion system exerted almost identical performance in the presence of methanol. Conclusions Many thermophilic enzymes exhibit higher stability not only at high temperatures but also in the presence of denaturants such as detergents and organic solvents than their mesophilic counterparts. In this study, compatibilities of thermophilic enzymes with methanol were demonstrated, indicating the potential applicability of in vitro bioconversion systems with thermophilic enzymes in the conversion of crude glycerol to value-added chemicals.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
نبذة مختصرة في المختبر، ظهرت إعادة تشكيل مسار استقلابي اصطناعي كنهج بديل للإنتاج الحيوي التقليدي القائم على التخمير في الجسم الحي. على وجه الخصوص، يتيح لنا استخدام الإنزيمات المحبة للحرارة والمليئة بالحرارة إعدادًا بسيطًا لوحدات التحفيز الحيوي عالية الاستقرار والانتقائية وبناء مسارات التمثيل الغذائي في المختبر مع استقرار تشغيلي ممتاز. في هذه الدراسة، قمنا بتصميم وبناء مسار استقلابي اصطناعي في المختبر يتكون من تسعة إنزيمات (مفرطة)محبة للحرارة وقمنا بتطبيقه على تحويل الجلسرين إلى لاكتات. كما قمنا بتقييم مدى توافق نظام التحويل الحيوي في المختبر مع الميثانول، وهو شوائب رئيسية في الجلسرين الخام المنبعث من عمليات إنتاج الديزل الحيوي. النتائج تم تصميم المسار الاصطناعي في المختبر لتحقيق التوازن بين الاستهلاك داخل المسار وتجديد الطاقة والعوامل المساعدة للأكسدة. أظهرت جميع الإنزيمات المشاركة في المسار المختبري مستوى مقبولًا من الاستقرار عند درجة حرارة عالية (60 درجة مئوية)، ولم يتأثر استقرارها بشكل ملحوظ بالتواجد المشترك لما يصل إلى 100 مليون ميثانول. يمكن تحقيق التحويل في وعاء واحد من الجلسرين إلى اللاكتات من خلال المسار في المختبر بطريقة متكافئة تقريبًا، ويمكن إنتاج 14.7 ملليمتر من اللاكتات في 7 ساعات. علاوة على ذلك، مارس نظام التحويل الحيوي في المختبر أداءً متطابقًا تقريبًا في وجود الميثانول. الاستنتاجات تُظهر العديد من الإنزيمات المحبة للحرارة ثباتًا أعلى ليس فقط في درجات الحرارة العالية ولكن أيضًا في وجود مسببات الأمراض مثل المنظفات والمذيبات العضوية مقارنة بنظيراتها المحبة للحرارة المتوسطة. في هذه الدراسة، تم إثبات توافق الإنزيمات المحبة للحرارة مع الميثانول، مما يشير إلى إمكانية تطبيق أنظمة التحويل الحيوي في المختبر مع الإنزيمات المحبة للحرارة في تحويل الجلسرين الخام إلى مواد كيميائية ذات قيمة مضافة.Translated Description (French)
Résumé Contexte La reconstitution in vitro d'une voie métabolique artificielle est apparue comme une approche alternative à la bioproduction conventionnelle basée sur la fermentation in vivo. En particulier, l'utilisation d'enzymes thermophiles et hyperthermophiles nous permet une préparation simple de modules biocatalytiques hautement stables et sélectifs et la construction de voies métaboliques in vitro avec une excellente stabilité opérationnelle. Dans cette étude, nous avons conçu et construit une voie métabolique artificielle in vitro composée de neuf enzymes (hyper)thermophiles et l'avons appliquée à la conversion du glycérol en lactate. Nous avons également évalué la compatibilité du système de bioconversion in vitro avec le méthanol, qui est une impureté majeure dans le glycérol brut libéré par les processus de production de biodiesel. Résultats La voie artificielle in vitro a été conçue pour équilibrer la consommation intra-voie et la régénération des cofacteurs énergétiques et rédox. Toutes les enzymes impliquées dans la voie in vitro présentaient un niveau de stabilité acceptable à haute température (60 °C), et leur stabilité n'était pas nettement affectée par la coexistence de méthanol jusqu'à 100 mM. La conversion monotope du glycérol en lactate par la voie in vitro pourrait être réalisée de manière presque stœchiométrique, et 14,7 mM de lactate pourraient être produits en 7 h. De plus, le système de bioconversion in vitro a exercé des performances presque identiques en présence de méthanol. Conclusions De nombreuses enzymes thermophiles présentent une plus grande stabilité non seulement à des températures élevées, mais également en présence de dénaturants tels que les détergents et les solvants organiques que leurs homologues mésophiles. Dans cette étude, les compatibilités des enzymes thermophiles avec le méthanol ont été démontrées, indiquant l'applicabilité potentielle des systèmes de bioconversion in vitro avec des enzymes thermophiles dans la conversion du glycérol brut en produits chimiques à valeur ajoutée.Translated Description (Spanish)
Resumen Antecedentes La reconstitución in vitro de una vía metabólica artificial ha surgido como un enfoque alternativo a la bioproducción convencional basada en la fermentación in vivo. En particular, el empleo de enzimas termófilas e hipertermófilas nos permite una preparación sencilla de módulos biocatalíticos altamente estables y selectivos y la construcción de vías metabólicas in vitro con una excelente estabilidad operativa. En este estudio, diseñamos y construimos una vía metabólica artificial in vitro que consta de nueve enzimas (hiper)termófilas y la aplicamos a la conversión de glicerol en lactato. También evaluamos la compatibilidad del sistema de bioconversión in vitro con metanol, que es una impureza importante en el glicerol bruto liberado de los procesos de producción de biodiésel. Resultados La vía artificial in vitro se diseñó para equilibrar el consumo intravía y la regeneración de energía y cofactores redox. Todas las enzimas involucradas en la vía in vitro mostraron un nivel aceptable de estabilidad a alta temperatura (60 °C), y su estabilidad no se vio afectada notablemente por la coexistencia de hasta 100 mM de metanol. La conversión en un solo recipiente de glicerol a lactato a través de la vía in vitro se pudo lograr de una manera casi estequiométrica, y se pudo producir lactato 14.7 mM en 7 h. Además, el sistema de bioconversión in vitro ejerció un rendimiento casi idéntico en presencia de metanol. Conclusiones Muchas enzimas termófilas exhiben una mayor estabilidad no solo a altas temperaturas sino también en presencia de desnaturalizantes como detergentes y disolventes orgánicos que sus contrapartes mesófilas. En este estudio se demostraron compatibilidades de enzimas termófilas con metanol, indicando la potencial aplicabilidad de sistemas de bioconversión in vitro con enzimas termófilas en la conversión de glicerol crudo en químicos de valor agregado.Files
s40643-014-0018-4.pdf
Files
(484.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:2ae311ac878d09bb05c10be3c744106a
|
484.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحويل الجلسرين في المختبر إلى لاكتات مع إنزيمات محبة للحرارة
- Translated title (French)
- Conversion in vitro du glycérol en lactate avec des enzymes thermophiles
- Translated title (Spanish)
- Conversión in vitro de glicerol en lactato con enzimas termófilas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2171705878
- DOI
- 10.1186/s40643-014-0018-4
References
- https://openalex.org/W1568513966
- https://openalex.org/W1570612531
- https://openalex.org/W1577512832
- https://openalex.org/W193110455
- https://openalex.org/W1972279913
- https://openalex.org/W1974258032
- https://openalex.org/W1975276775
- https://openalex.org/W1994735540
- https://openalex.org/W2001307435
- https://openalex.org/W2008237642
- https://openalex.org/W2011824458
- https://openalex.org/W2025487940
- https://openalex.org/W2045494241
- https://openalex.org/W2052871626
- https://openalex.org/W2078679041
- https://openalex.org/W2081900692
- https://openalex.org/W2086632131
- https://openalex.org/W2113677520
- https://openalex.org/W2115269241
- https://openalex.org/W2120779367
- https://openalex.org/W2140682173
- https://openalex.org/W2164618978
- https://openalex.org/W4233704036