Employing Solid-State Platforms for Photosynthetic Chemical Production

Abstract

Photosynthetic microorganisms, such as cyanobacteria and microalgae play a key role in the ecosystem while also holding great economic potential for a sustainable future. These organisms offer diverse applications, ranging from human and animal consumption to wastewater treatment, and serving as platforms for photosynthetic production of fuels and chemicals. By combining synthetic biology, and metabolic engineering, a wide array of chemicals can be synthesised by these microorganisms, taking advantage of photosynthesis. Through photosynthesis, these microbes convert sunlight and atmospheric carbon dioxide into biomass and/or various chemicals. Immobilising photosynthetic microorganisms in environmentally friendly and biodegradable polymer matrices can transfer the production into a solid-state (hydrogel) system. Immobilised systems emerge as an effective strategy for enhancing production, simplifying operation, and facilitating upscaling. Key findings include the enhanced production yields of sucrose and ethylene by engineered cyanobacterial Synechocystis sp. PCC 6803 strains. Furthermore, Synechocystis produced sucrose drives the biotransformation of cyclohexanone to ε-caprolactone in an engineered Escherichia coli. The expression of a Baeyer-Villiger monooxygenase in the eukaryotic green alga Chlamydomonas reinhardtii is explored as an alternative with photosynthetic co-factor regeneration and O2 production. The biotransformation is further optimised by the improvement of the strain and coupled with photosynthetic hydrogen production in a stepwise manner. By employing 3D-printing and a photocurable bioink composed of cells, alginate, galactoglucomannan-methacrylate and a photoinitiator, I demonstrate its compatibility with both prokaryotic and eukaryotic photosynthetic microorganisms and ethylene production and biotransformation. The 3D-printed films demonstrate improved stability and present the possibility of creating complex architectures. The outcomes of this research underscore the versatility of photosynthetic microorganisms for applications in different solid-state chemical production systems. These findings open novel avenues for the utilisation engineered photosynthetic living materials, contributing to the advancement of a more sustainable chemical industry.

--------------------

Fotosynteettisillä mikro-organismeilla, kuten syanobakteereilla ja mikrolevillä, on keskeinen tehtävä maapallon ekosysteemeissä. Lisäksi niihin liittyy merkittävää taloudellista potentiaalia. Nämä fotosynteettiset eliöryhmät tarjoavat monipuolisia sovelluksia ihmisten ja eläinten ravinnon tuotannosta jätevesien käsittelyyn, sekä biopolttoaineiden ja muiden kemikaalien tuotannon alustoina. Käyttämällä synteettistä biologiaa ja metabolista muokkausta nämä mikro-organismit saadaan tuottamaan erilaisia kemikaaleja fotosynteesiä hyödyntäen. Fotosynteettiset mikrobit muuttavat auringon valoenergian sekä ilmakehän hiilidioksidin biomassaksi ja kemikaaleiksi. Immobilisoimalla solut ympäristöystävällisiin ja biohajoaviin polymeerimatriiseihin voidaan tehostaa kemikaalien tuotantoa ja yksinkertaistaa solujen käsittelyä sekä helpottaa skaalausta. Väitöskirjatyössäni havaitsin, että immobilisoimalla muunneltuja syanobakteerikantoja solut tuottavat enemmän sakkaroosia ja etyleeniä kuin solususpensioissa. Lisäksi osoitin, että syanobakteerin fotosynteettisesti tuottama sakkaroosi mahdollistaa sykloheksanonin muuttamisen ε-kaprolaktoniksi geneettisesti muokatussa heterotrofisessa kolibakteerissa. Toisessa lähestymistavassa ε-kaprolaktonia tuottava Baeyer–Villiger-entsyymi siirrettiin Chlamydomonas reinhardtii -viherlevään, joka pystyy fotosynteesin avulla tuottamaan reaktiossa tarvittavaa happea ja kofaktoria. ε-kaprolaktonin lisäksi kanta saatiin tuottamaan molekulaarista vetyä vaiheittaisessa reaktiossa. Tein myös 3D-tulostettuja kalvoja alginaatista, galaktoglukomannaani-metakrylaatista, valoinitiaattorista ja soluista koostuvasta biomusteesta, joka kovetettiin valon avulla. Osoitin sen yhteensopivuuden sekä bakteerien, että aitotumallisten mikro-organismien kanssa ja totesin, että kalvossa kiinni olevat solut pystyvät edelleen tuottamaan etyleeniä ja ε-kaprolaktonia. 3D-tulostus tarjoaa mahdollisuuden luoda monimutkaisia rakenteita ja menetelmällä tehdyt kalvot ovat kestäviä. Tämän tutkimuksen tulokset korostavat fotosynteettisten mikro-organismien monipuolisuutta erilaisissa immobilisaatiosovelluksissa. Väitöskirjani tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia fotosynteettisten mikro-organismien käyttöön yhdisteiden tuotannossa, mikä edistää kestävämmän kemianteollisuuden kehitystä.