کاربرد زیست فناوری و مهندسی ژنتیک در فرآیندهای زیستی تولید اسید استیک

مقدمه

اسید استیک یک اسید آلی همه کاره است که کاربرد گسترده ای در صنایع غذایی، شیمیایی و دارویی دارد. این ترکیب، جزء کلیدی سرکه و یک پیش ساز مهم در فرآیندهای تولید پلیمرها، حلال ها و دیگر مواد شیمیایی محسوب می شود. به طور سنتی تولید اسید استیک متکی بر روش های پتروشیمی یا تخمیر کلاسیک (تولید سرکه) بوده است. اما این روش های مرسوم از نظر پایداری و بازده محدودیت هایی دارند. زیست فناوری و مهندسی ژنتیک به عنوان ابزارهای قدرتمندی برای بهبود فرآیند تولید اسید استیک ظهور کرده اند. با بهره گیری از میکروب ها و اصلاح ساختار ژنتیکی آن ها، فرآیندهای زیستی مدرن می توانند اسید استیک را کارآمدتر، مقرون به صرفه تر و پایدارتر تولید کنند. نتیجه آن افزایش توجه به تولید زیستی اسید استیک است، جایی که بهره گیری از میکروارگانیسم های مهندسی شده و فناوری های نوین تخمیر منجر به افزایش بازده و ارتقای پایداری فرآیندها شده است.

اسید استیک: اهمیت و روش ‌های تولید

اسید استیک (CH₃COOH) یکی از مهم ترین اسیدهای کربوکسیلیک است که به طور گسترده به عنوان ماده اولیه شیمیایی و ماده نگهدارنده استفاده می‌شود. تقاضای جهانی برای اسید استیک از دو مسیر اصلی تأمین می‌شود: تولید شیمیایی سنتزی و تخمیر زیستی. در روش شیمیایی، کربونیلاسیون متانول (واکنش متانول با مونوکسید کربن) فرآیند صنعتی غالب است که اسید استیک گلاسیال با خلوص بالا تولید می‌کند. از سوی دیگر، تولید زیستی در تخمیر سرکه نمود می یابد، جایی که میکروارگانیسم ها اتانول را به اسید استیک رقیق تبدیل می کنند. این مسیر زیستی برای سرکه خوراکی ضروری است و انرژی کمتری نیاز دارد، اما معمولاً اسید استیک را در غلظت های پایین تری تولید می‌کند. به همین دلیل خرید اسید استیک سرکه گالن 20 لیتری در صنایع غذایی و خانگی به‌ عنوان گزینه‌ ای مقرون‌ به‌ صرفه و کاربردی رواج یافته است. علاقه به تولید پایدار، تمرکزها را دوباره به روش‌ های زیستی معطوف کرده است. پیشرفت در فناوری تخمیر و توسعه سویه‌ ها در حال پر کردن شکاف بین این روش‌ ها است. ترکیب دانش تخمیر سنتی با مهندسی ژنتیک مدرن به افزایش بازده کمک می‌ کند و تولید اسید استیک زیستی را به‌ عنوان جایگزینی فزاینده برای فرآیندهای پتروشیمی مطرح می‌ سازد. هر سال میلیون‌ ها تن اسید استیک در جهان تولید می‌ شوند که پایداری این تولید را به یک هدف کلیدی صنعتی تبدیل کرده است.

فرآیندهای سنتی تخمیر برای تولید سرکه

قرن ها است که اسید استیک از طریق تخمیر سنتی در واقع همان فرآیند تولید سرکه تولید می شود. در این فرآیندها، بسترهای غنی از اتانول مانند شراب، سیدر یا آب میوه های تخمیر شده در حضور باکتری های اسید استیک (AAB) تحت شرایط هوازی قرار می گیرند. یکی از روش های کلاسیک، فرآیند اورلئان است که در آن سرکه به کندی طی هفته ها یا ماه ها در بشکه های باز تولید می شود. روش دیگر، فرآیند فیلتر چکه ای (روش سریع تهیه سرکه) است که در قرن نوزدهم ابداع شد، و طی آن اتانول به طور مداوم روی پوشال های چوبی که با باکتری های اسید استیک کلنی شده اند چکانده می شود تا اکسایش آن به اسید استیک تسریع گردد. تولید صنعتی مدرن سرکه معمولاً از تخمیر غوطه ور در استیک سازها، بیورآکتورهای مجهز به هوادهی و همزن استفاده می کند. این پیشرفت ها زمان تخمیر را از چند هفته به تنها چند روز کاهش داده اند. علیرغم کارایی، امروزه این روش‌ ها با زیست‌ فناوری مدرن تکمیل می‌ شوند تا بهره‌ وری و مقیاس تولید افزایش یابد و از طریق بهینه‌ سازی سویه‌ های میکروبی برای افزایش بازده تولید اسید استیک، کارایی کل فرآیند به شکل چشمگیری ارتقا پیدا کند.

محدودیت‌ های روش‌ های متداول

با وجود موفقیت تخمیر کلاسیک سرکه، روش های متداول دارای محدودیت های ذاتی هستند. باکتری های طبیعی اسید استیک نسبت به محصول خود حساس اند؛ غلظت های بالای اسید استیک (بالاتر از حدود ۵–۱۰٪) رشد و فعالیت میکروبی را مهار می کند. این بازدارندگی محصول حداکثر غلظت اسید قابل دستیابی در فرآیندهای بچ را محدود می کند. علاوه بر این، مقدار بیش از حد اتانول می تواند به رشد باکتری ها آسیب برساند، زیرا اتانول بالاتر از برخی سطوح، برای سلول ها سمی است. تخمیرهای سنتی همچنین گرما تولید می کنند (فرآیندهای اگزوترم هستند) و اغلب برای حفظ دمای بهینه نیاز به سرمایش دارند که این خود پیچیدگی و هزینه را افزایش می دهد. آلودگی توسط میکروب های ناخواسته نیز در تخمیرهای کند و باز یک ریسک محسوب می شود. در مقابل، روش های تولید شیمیایی، گرچه اسید استیک غلیظ را به طور کارآمد تولید می کنند، به منابع فسیلی تجدیدناپذیر متکی بوده و تحت شرایط سخت عملیاتی انجام می شوند. این نقاط ضعف تخمیر مرسوم نرخ کند تولید، تحمل کم در برابر اسید و گرما، و رقیق بودن محصول نیاز به بهبود فرآیندهای زیستی را آشکار می سازد. غلبه بر این موانع به هدف اصلی پژوهش های مدرن تبدیل شده و نوآوری در فرآیند تخمیر اسید استیک را پیش می برد.

رویکردهای زیست فناوری در تولید اسید استیک

رویکردهای زیست فناوری در تولید اسید استیک شامل به کارگیری روش های پیشرفته میکروبیولوژی و مهندسی فرآیند برای افزایش تولید است. این موارد شامل انتخاب یا مهندسی سویه های میکروبی با عملکرد بهتر، بهینه سازی شرایط کشت، و نوآوری در طراحی راکتورها می شود. یکی از این رویکردها بهبود سویه است: توسعه باکتری هایی که بتوانند غلظت های بالاتر اسید استیک را تحمل کنند یا از خوراک های متفاوت به طور موثر تری استفاده کنند. تکنیک هایی مانند تکامل آزمایشگاهی تطبیقی و موتاژن زایی در گذشته برای پرورش سویه های مقاوم تر به اسید استیک استفاده شده است. اکنون مهندسی ژنتیک مدرن امکان ایجاد تغییرات دقیق در DNA میکروارگانیسم ها را فراهم می کند تا مسیرهایی را اضافه یا تقویت کنند که بازده اسید استیک را افزایش می دهند. بهینه سازی بیوپردازش نیز جنبه کلیدی دیگری است بهبود هوادهی، راهبردهای تغذیه ای و تثبیت سلول ها برای حفظ چگالی سلولی بالا و بهره وری بیشتر. با ادغام این راهبردها، فرآیندهای زیستی می توانند به سرعت تخمیر بالاتر، غلظت نهایی اسید بیشتر و استفاده از مواد اولیه تجدیدپذیر دست یابند. در واقع این راهبردهای ترکیبی یک فرآیند کند و سنتی را به یک عملیات صنعتی پر بازده و سریع تبدیل کرده است.

میکروارگانیسم ‌های کلیدی در تخمیر اسید استیک

تخمیر اسید استیک عمدتاً توسط گروهی از باکتری ها به نام باکتری های اسید استیک (AAB) انجام می شود که متعلق به جنس هایی نظیر استوباکتر، گلوکونوباکتر و کومبوگاتایباکتر هستند. این باکتری های گرم منفی اجباری هوازی بر اتانول تغذیه می کنند و آن را به اسید استیک اکسید می کند. Acetobacter aceti و Acetobacter pasteurianus گونه هایی هستند که به طور معمول در تولید صنعتی سرکه به کار می روند، زیرا در تبدیل اتانول به اسید استیک بسیار موثرند.. Komagataeibacter europaeus که قبلاً Gluconacetobacter europaeus نام داشت به تحمل اسیدی بالای خود معروف است و می تواند سرکه را در غلظت هایی تا حدود ۱۵٪–۲۰٪ تولید کند. برخی گونه ها مانند Gluconobacter oxydans اکسیداسیون ناقص انواع مختلف قندها و الکل ها را انجام می دهند و در نتیجه علاوه بر اسید استیک، محصولات جانبی دیگری تولید می کنند؛ با این حال این ها به غلظت های بالای اسید چندان مقاوم نیستند. افزون بر باکتری ها، برخی مخمرها و قارچ ها نیز می توانند به طور غیر مستقیم در این فرآیند مشارکت داشته باشند برای مثال مخمرها اتانول تولید می کنند که سپس AAB آن را به اسید استیک تبدیل می کند. در فرآیندهای نوظهور، باکتری های بی هوازی مانند استوژن ها مثلاً گونه های Clostridium می توانند اسید استیک را از گاز سنتز یا CO₂ از طریق مسیر متفاوتی تولید کنند. هر میکروارگانیسم مزایا و توانایی های متفاوتی دارد و زیست فناوری می تواند از این ویژگی ها بهره ببرد یا حتی آن ها را با هم ترکیب کند تا تولید اسید استیک را بهینه سازد.

مسیرهای متابولیک برای سنتز زیستی اسید استیک

به لحاظ زیستی اسید استیک می تواند از طریق مسیرهای متابولیکی متفاوتی تولید شود. در مسیر هوازی که توسط باکتری های اسید استیک طی می شود، اتانول به اسید استیک اکسید می شود. این تبدیل توسط دو آنزیم کلیدی انجام می گیرد: یک الکل دهیدروژناز اتانول را به استالدهید تبدیل می کند و یک آلدهید دهیدروژناز سپس استالدهید را به اسید استیک تبدیل می کند. این اکسایش در پریپلاسم باکتری رخ می دهد و با زنجیره تنفسی جفت شده است و برای سلول ها انرژی فراهم می کند، در حالی که اسید استیک را به عنوان محصول دفع می کند. از سوی دیگر، اسید استیک می تواند از مسیرهای بی هوازی نیز تولید شود. باکتری های استوژن از مسیر وود-لیونگدال برای تثبیت دی اکسید کربن (CO₂) یا مونوکسید کربن (CO) به استیل کوآ استفاده می کنند و سپس آن را به اسید استیک تبدیل می کنند. در مسیرهای تخمیری از قندها، برخی میکروب ها (یا سویه های مهندسی شده) می توانند با هدایت جریان متابولیت ها از طریق استیل کوآ به استات، اسید استیک تولید کنند؛ این کار با استفاده از آنزیم هایی مانند فسفو ترانس استیلاز و استات کیناز انجام می شود. با این حال در حالت طبیعی بیشتر میکروب های قندسوز ترجیح می دهند اتانول یا محصولات دیگری تولید کنند و بنابراین برای هدایت جریان عمدتاً به سمت اسید استیک معمولاً نیاز به مهندسی متابولیک است. درک این مسیرها برای تلاش های مهندسی ژنتیک ضروری است، زیرا با دستکاری آنزیم ها و مسیرها می توانیم بازده اسید استیک را افزایش دهیم و امکان استفاده از مواد اولیه مختلف را در تولید فراهم کنیم.

مهندسی ژنتیک برای بهبود سویه‌ ها

مهندسی ژنتیک به رکن اساسی برای توسعه سویه های برتر تولیدکننده اسید استیک تبدیل شده است. با اصلاح مستقیم DNA یک ارگانیسم می توان ویژگی های خاصی را ارتقا داد. یکی از نمونه های موفق، مهندسی Acetobacter pasteurianus است که موجب شد این باکتری آنزیم الکل دهیدروژناز خود را بیش از حد بیان کند و در نتیجه سرعت تبدیل اتانول به اسید استیک افزایش یافت و بهره وری کلی بالا رفت. به همین ترتیب ژن های مسئول مقاومت به اسید هدف تغییر قرار گرفته اند. برای مثال وارد کردن یا بیش بیان ژن های پمپ خروج اسید به باکتری ها کمک می کند که اسید استیک را به شکل موثرتری از سلول خارج کنند و از تجمع داخلی که رشد را کند می کند جلوگیری نمایند. حذف مسیرهایی که منابع سلول را صرف محصولات جانبی ناخواسته می کنند نیز یک تاکتیک دیگر است برای نمونه، غیر فعال کردن مسیرهایی که متابولیت ها را به محصولات فرعی یا پلی ساکاریدهای اضافه هدایت می کنند باعث می شود کربن بیشتری به تولید اسید استیک اختصاص یابد. مهندسی ژنتیک همچنین به میکروب هایی که به طور طبیعی اسید استیک تولید نمی کنند این امکان را می دهد که به تولیدکننده تبدیل شوند: با وارد کردن ژن های کلیدی مسیر تولید اسید استیک به ارگانیسم هایی مانند E. coli یا مخمر، پژوهشگران میزبان های تولیدی جدیدی ایجاد می کنند. زیست فناوری مرزهای جدیدی را در این زمینه گشوده اند و امکان ساخت میکروب های سفارشی را فراهم کرده است که برای تولید اسید استیک با بازده بالاتر، سرعت بیشتر و تحمل بهتر به شرایط صنعتی بهینه شده اند.

مهندسی متابولیک و بهینه ‌سازی مسیرها

مهندسی متابولیک گام فراتر از اصلاح ژنتیکی است که با طراحی مجدد بیوشیمی درونی میکروارگانیسم ها برای حداکثرسازی خروجی اسید استیک انجام می شود. به جای تغییر یک ویژگی منفرد، این رویکرد کل مسیرها و شبکه های متابولیکی را بهینه می کند. دانشمندان ممکن است جریان متابولیکی را با افزایش بیان آنزیم هایی که واسطه ها را به سمت اسید استیک هدایت می کنند و هم زمان سرکوب یا حذف مسیرهای رقابتی، باز مسیر دهند. برای مثال اگر یک باکتری به طور طبیعی بخشی از استیل کوآ را به زیست توده یا محصولات دیگر منحرف کند، مهندسی متابولیک می تواند آن فعالیت های فرعی را کاهش دهد تا استیل کوآ بیشتری به اسید استیک تبدیل شود. راهبرد دیگر معرفی مسیرهای مصنوعی یا آنزیم های غیر بومی است که به میکروارگانیسم اجازه می دهد از بسترهای جدید استفاده کند یا سوبستراها را مستقیم تر به اسید استیک تبدیل کند. توازن کوفاکتور نیز حیاتی است تنظیم سلول ها برای بازتولید موثر NAD⁺/NADH یا کوفاکتورهای دیگر می تواند از گلوگاه ها در سنتز اسید استیک جلوگیری کند. بهینه سازی مسیر اغلب به مدل های محاسباتی و داده های امیکس (ژنومیکس، ترنسکریپتومیکس و غیره) وابسته است تا گلوگاه ها و اهداف را شناسایی کند. از طریق این اصلاحات جامع، مهندسی متابولیک کارخانه های سلولی ایجاد می کند که بسیار کارآمدتر از انواع وحشی خود هستند. نتیجه آن یک سویه است که نه تنها دستورالعمل های ژنتیکی تولید اسید استیک را دارد بلکه این کار را با کمترین اتلاف و بیشترین بهره وری انجام می دهد.

افزایش تحمل تنش در باکتری‌ های اسید استیک

یکی از چالش های اصلی در تخمیر اسید استیک، محیط سختی است که خود محصول ایجاد می کند. ارتقای تحمل در برابر شرایطی مانند اسیدیته، سطوح بالای اتانول و دمای بالا به همین دلیل یکی از اهداف کلیدی در بهبود سویه ها است. مداخلات ژنتیکی و زیستی در چند جبهه به این مسئله می پردازند. یک رویکرد این است که غشای سلولی و پوشش سلول را تقویت کنیم، زیرا این ها اولین سپرهای دفاعی در برابر اسید هستند. با اصلاحات ژنتیکی، سویه هایی تولید شده اند که ترکیب لیپیدهای غشایی خود را تغییر می دهند یا لایه های پلی ساکاریدی خارج سلولی ضخیم تری تولید می کنند و ورود اسید استیک به داخل سلول را دشوارتر می سازند. استراتژی دیگر مهندسی پمپ های خروجی و پروتئین های تراپوسته ای است که اسید استیک را به طور فعال از سلول بیرون می رانند برای مثال، معرفی یک ترانسپورتر AatA در Acetobacter باعث افزایش مقاومت به اسید شد و به این ترتیب محیط درون سلولی را در محدوده قابل تحمل نگه می دارند. همچنین بیان بیش از حد پروتئین های شوک حرارتی و چپرون ها می تواند به سلول کمک کند که تحت شرایط سخت فعالیت آنزیم های خود را حفظ کند. علاوه بر این، تکنیک هایی مانند فرگشت هدایت شده منجر به جهش یافته هایی از باکتری های اسید استیک شده است که می توانند در دماهای بالاتر تا حدود ۴۰°C رشد کرده و فعالیت کنند و این امر هزینه های سرمایش را کاهش می دهد. چنین سویه های مقاومی نیاز به کنترل دقیق پارامترهای تخمیر را کمتر کرده و می توانند فرآیند را به غلظت های بالاتر اسید برسانند. با افزایش تحمل از طریق روش های ژنتیکی یا سازگاری آزمایشگاهی، فرآیند تخمیر پایدارتر و پر بازده تر می شود حتی تحت شرایط مهارکننده.

تولید اسید استیک از خوراک‌ های جایگزین

زیست فناوری دامنه خوراک هایی را که می توانند به اسید استیک تبدیل شوند گسترش داده است. به طور سنتی، اتانول (حاصل از تخمیر الکلی) ماده اولیه اصلی برای تولید سرکه است. امروزه، میکروب های مهندسی شده امکان استفاده از خوراک های جایگزین و تجدیدپذیر را فراهم کرده اند. یکی از نمونه های قابل توجه، استفاده از گاز سنتز (syngas) است، مخلوطی از CO₂، CO و H₂ که از گازهای زائد صنعتی یا پیرولیز زیست توده به دست می آید. باکتری های استوژن مانند Clostridium ljungdahlii می توانند مستقیماً گاز سنتز را از طریق مسیر استوژنز به اسید استیک تخمیر کنند. تلاش های مهندسی ژنتیک برای بهبود بهره وری و تحمل این باکتری ها در جریان است تا تخمیر گاز سنتز از نظر تجاری مقرون به صرفه شود. حوزه دیگری، استفاده از زیست توده لیگنوسلولزی (مثلاً پسماندهای کشاورزی) است که ابتدا به قندها تجزیه و سپس به اسید استیک تخمیر می شوند. به جای فرآیند دو مرحله ای تولید اتانول و سپس اکسایش آن، پژوهشگران در حال توسعه تخمیر تک مرحله ای هستند که در آن سویه های مهندسی شده قندها را مستقیماً به اسید استیک تبدیل می کنند. گلیسرول (یک محصول جانبی تولید بیودیزل) و سایر جریان های پسماند نیز به عنوان خوراک در فرآیندهای میکروبی بررسی می شوند. این گزینه ها نه تنها با استفاده از مواد با ارزش کم یا پسماند مزایای اقتصادی دارند، بلکه به پایداری نیز کمک می کنند زیرا اتکا به خوراک های غذایی را کاهش داده و پسماندها را به محصول مفید تبدیل می کنند. مهندسی ژنتیک و فرگشت تطبیقی نقش حیاتی در توانمندسازی میکروب ها برای پردازش این خوراک های نامتعارف و تبدیل کارآمد آن ها به اسید استیک دارند.

طراحی نوین بیورآکتورها و بهبود فرآیندها

علاوه بر خود میکروارگانیسم ها طراحی فرآیندهای تخمیر تأثیر زیادی بر تولید اسید استیک دارد. پیکربندی های نوآورانه بیورآکتور و راهبردهای فرآیندی به منظور شدت بخشی تولید توسعه یافته اند. استیک سازهای مدرن (مخمرهای غوطه ور) کنترل دقیقی بر هوادهی، هم زدن و دما فراهم می کنند و شرایط بهینه برای رشد باکتری های اسید استیک مهیا می سازند. بیورآکتورهای با سلول های تثبیت شده یکی دیگر از پیشرفت ها هستند: با تثبیت باکتری های اسید استیک روی حامل های جامد یا داخل ماتریکس ها، می توان چگالی سلولی بسیار بالایی را حفظ کرد و تخمیر را به صورت پیوسته انجام داد. این رویکرد، با فعال نگه داشتن باکتری ها در حالی که محصول اسیدی به طور پیوسته برداشت یا حذف می شود، تا حدی اثر بازدارندگی محصول را کاهش می دهد. برخی سیستم ها از بیورآکتورهای غشایی یا روش های حذف محصول در جا استفاده می کنند تا اسید استیک را به محض تشکیل جدا کنند و اجازه دهند تخمیر به غلظت های بالاتر از حد معمول ادامه یابد. راهبردهای خوراک دهی مرحله ای، که در آن اتانول یا سایر خوراک ها به تدریج به بیورآکتور افزوده می شوند، از افزایش اولیه بیش از حد غلظت سوبسترا که می تواند به میکروب ها آسیب بزند جلوگیری می کند و در نهایت غلظت نهایی اسید استیک بالایی را به دست می دهد. بهبودهای فرآیندی همچنین شامل حسگرهای بهتر و خودکارسازی برای کنترل دقیق pH و سطوح اکسیژن است. همه این نوآوری های مهندسی، وقتی با سویه های مقاوم ترکیب شوند، منجر به فرآیندی بسیار کارآمدتر می شوند. این فرآیند به زمان کمتری نیاز دارند و می تواند بازده بالاتری نسبت به روش های سنتی به دست آورد که نشان دهنده تکمیل فناوری زیستی فرآیند در کنار پیشرفت های ژنتیکی است.

زیست شناسی سنتتیک و رویکردهای نوین

زیست شناسی سنتتیک مجموعه ای از ابزارهای جدید را برای انقلاب بیشتر در تولید اسید استیک فراهم می کند. با زیست شناسی سنتتیک، دانشمندان می توانند مدارهای ژنتیکی و آنزیم های کاملاً جدیدی طراحی و ایجاد کنند که برای تولید بهینه ساخته شده اند. به عنوان مثال ویرایش ژنومی مبتنی بر CRISPR اجازه اصلاح سریع و دقیق ژنوم باکتری های اسید استیک را می دهد و روند توسعه سویه های بهبود یافته را سرعت می بخشد. پژوهشگران همچنین در حال بررسی ایجاد کنسرسیوم های سنتتیک هستند: مخلوط های طراحی شده ای از میکروارگانیسم ها که هر یک مرحله ای از یک فرآیند تبدیل را انجام می دهد (برای مثال یک میکروب بستر پیچیده ای را به اتانول یا واسطه دیگری تخمیر می کند و میکروب دیگر آن واسطه را به اسید استیک تبدیل می کند). این رویکرد می تواند از نقاط قوت چندین ارگانیسم در یک سیستم واحد بهره برداری کند. جبهه نوآورانه دیگر، زیست ساخت بدون سلول است، استفاده از آنزیم های ایزوله شده یا آبشارهای آنزیمی در شرایط in vitro برای تولید اسید استیک بدون حضور سلول های زنده، که می تواند برخی محدودیت ها مانند سمیت محصول را دور بزند. علاوه بر این از یادگیری ماشین و طراحی محاسباتی پروتئین برای ایجاد آنزیم هایی با فعالیت یا پایداری بالاتر در مسیر تولید اسید استیک استفاده می شود. اگرچه بسیاری از این رویکردهای جدید هنوز در مرحله پژوهشی یا آزمایشی هستند، اما نویدبخش پیشرفت های چشمگیرند. آن ها ممکن است امکان تولید اسید استیک را تحت شرایط یا با بهره وری هایی فراهم کنند که توسط موجودات طبیعی به تنهایی قابل دستیابی نیست و بدین ترتیب مرزهای تولید زیستی این ماده را باز هم گسترش می دهند.

نوآوری ‌های قابل توجه زیست فناوری و مطالعات موردی

کاربردهای زیست فناوری و مهندسی ژنتیک در تولید اسید استیک به بهترین شکل از طریق نوآوری ها و مطالعات موردی مشخص قابل بیان هستند. در یک مورد پژوهشگران Acetobacter pasteurianus را از نظر ژنتیکی اصلاح کردند تا میزان تولید یکی از آنزیم های کلیدی اکسایش اتانول را افزایش دهد؛ این تغییر حدود 17٪ بازده اسید استیک را افزایش داد و سرعت تخمیر را نسبت به سویه والد بالا برد. در نمونه ای دیگر، یک جهش یافته مقاوم به اسید از Acetobacter از طریق وارد کردن ژن یک پمپ خروج اسید ایجاد شد؛ این سویه می توانست در غلظت هایی از اسید استیک که معمولاً فرآیند تخمیر را متوقف می کنند به تولید ادامه دهد. تکنیک های فرگشت آزمایشگاهی منجر به تولید سویه هایی مانند واریانت های Komagataeibacter europaeus شدند که به طور طبیعی می توانند سرکه ای با 15٪ یا بیشتر اسیدیته تولید کنند. در همین حال، مهندسی متابولیک روی یک سویه E. coli اعمال شد تا مسیر متابولیسم آن را به گونه ای تغییر دهد که از گلوکز عمدتاً اسید استیک انباشت کند؛ این نشان داد که حتی میزبان های غیر متعارف نیز می توانند به تولیدکنندگان اسید تبدیل شوند. در تخمیر بی هوازی، دانشمندان سویه های Clostridium را برای تبدیل گاز سنتز به اسید استیک بهبود دادند و پایداری و خروجی آن ها را ارتقا بخشیدند. این مثال ها نشان می دهند که چگونه با ترکیب دانش زیست شناسی و مهندسی می توان محدودیت های پیشین را پشت سر گذاشت. جدول زیر برخی از مهم ترین میکروارگانیسم ها، استراتژی ها و نتایج را که بیانگر کاربرد زیست فناوری در تولید اسید استیک هستند نشان می دهد: