По словам исследователей, новое изобретение упростит процесс ферментации и упростит выращивание растений и предварительную обработку целлюлозы. | Фото любезно предоставлено U.S. Объединенный институт генома Департамента энергетики
Лигноцеллюлоза — волокнистый материал, из которого состоят структурные ткани растений.
Это один из самых распространенных видов сырья на планете, и, поскольку он богат углеродом, он является привлекательным источником возобновляемой биомассы для производства биотоплива.
Дрожжи Saccharomyces cerevisiae хорошо сбраживают простые сахара (например, те, что содержатся в зернах кукурузы и сахарном тростнике) для производства этанола. Но уговорить дрожжи полакомиться стеблями и листьями растений не так-то просто.
Выполнение этого в промышленных масштабах требует ряда дорогостоящих шагов, один из которых включает расщепление гемицеллюлозы, ключевого компонента лигноцеллюлозы.
«Если мы разложим гемицеллюлозу, мы получим ксилозу и уксусную кислоту», — сказал профессор пищевых наук и питания человека Университета Иллинойса Юн-Су Джин, который руководил исследованием с главным исследователем Джейми Кейт из Калифорнийского университета в Беркли и Лоуренса Беркли. Национальная лаборатория.
Джин и Кейт являются сотрудниками Energy Biosciences Institute (EBI), который финансировал исследование. Джин — сотрудник Института геномной биологии Университета США. я.
«Ксилоза — это сахар; мы можем создать дрожжи для ферментации ксилозы», — сказал Джин. "Однако уксусная кислота — токсичное соединение, убивающее дрожжи. Это одна из самых больших проблем при производстве целлюлозного этанола."
В более раннем исследовании аспирантка Су Рин Ким (ныне стипендиат EBI) спроектировала S. cerevisiae для более эффективного потребления ксилозы.
Это улучшило выход этанола, но в процессе образовался избыток НАДН, молекулы, переносящей электрон, которая является частью энергетической валюты всех клеток. Накопление уксусной кислоты также убило большую часть дрожжей.
Обсудив проблему с Джином, Кейт пришла в голову идея — возможно, команда сможет заставить дрожжи потреблять уксусную кислоту. Позже Джину пришло в голову, что этот процесс может также использовать излишки НАДН из метаболизма ксилозы.
Изучив более ранние исследования, научный сотрудник На Вэй обнаружил, что другой организм, бактерия, может потреблять уксусную кислоту.
Она определила ферменты, которые катализируют этот процесс, и увидела, что один из них не только превращает уксусную кислоту в этанол, но также может использовать избыток НАДН из метаболизма ксилозы.
Однако команда не была готова начать вводить гены в свои дрожжи. Сначала им нужно было определить, будут ли их усилия успешными.
«Одна из проблем, связанных с дрожжами, заключается в том, что они действительно хорошо справляются с одной задачей», — сказала Кейт. "Когда вы начинаете добавлять эти новые модули в то, что он уже делает, не очевидно, что они будут работать заранее."
Чтобы лучше понять осуществимость идеи, аспирант Джош Куортерман использовал компьютерное моделирование, чтобы увидеть, как добавление новых генов в метаболический репертуар дрожжей повлияет на выработку этанола. Его расчеты показали, что путь, который указал Вэй, увеличит производство этанола.
Затем Вэй проделал кропотливую работу по внедрению желаемых генов в дрожжи, процесс, который занял несколько месяцев. Когда она проверила дрожжи, она увидела, что они производят примерно на 10 процентов больше этанола, чем раньше, в соответствии с расчетами Куортермана.
В дальнейших экспериментах она продемонстрировала, что новые дрожжи на самом деле производили часть этанола из ацетата, впервые для S. cerevisiae.
«Мы как бы перестроили то, как дрожжи используют углерод», — сказала Кейт.
Этот прорыв также поможет тем, кто сосредоточится на других этапах процесса производства биотоплива, сказал Джин. По его словам, генетики растений и те, кто занимается предварительной обработкой, могут перестать беспокоиться о способах удаления уксусной кислоты из лигноцеллюлозы.
«Многие люди интересуются, почему у нас сейчас нет целлюлозного биотоплива», — сказал Джин. "Но это не из-за одного ограничивающего шага. У нас есть много ограничивающих шагов в выращивании биомассы, хранении, перемещении, сборе урожая, разложении биомассы на сахар, ферментации и последующем разделении (этанола).
Прогресс, о котором мы сообщаем, включает один из этих шагов — ферментацию. Но это также сделает другие этапы процесса немного проще."