Исследователи сообщают в журнале Science 18 февраля 2016 года, что эти анаэробные кишечные грибы работают так же, как лучшие грибы, созданные промышленностью, в их способности преобразовывать растительный материал в сахара, которые легко превращаются в топливо и другие продукты.«Природа создала эти грибы так, чтобы они имели самый большой в мире репертуар ферментов, расщепляющих биомассу», — сказала Мишель О’Мэлли, ведущий автор и профессор химической инженерии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.Эти ферменты — инструменты, сделанные из белка — работают вместе, чтобы расщепить устойчивый растительный материал. Исследователи обнаружили, что грибы адаптируют свои ферменты к древесине, траве, сельскохозяйственным отходам и тому подобному, что им кормят ученые.
Полученные данные предполагают, что промышленность может модифицировать кишечные грибы так, чтобы они производили улучшенные ферменты, которые будут превосходить лучшие доступные, что потенциально приведет к более дешевому биотопливу и биопродуктам.Чтобы сделать вывод, О’Мэлли обратился к двум пользовательским объектам Управления науки Министерства энергетики США: Лаборатория молекулярных исследований окружающей среды Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Объединенный институт генома Министерства энергетики США.
Исследование О’Мэлли является первым результатом партнерства двух центров под названием «Объекты, объединяющие совместную работу для науки о пользователях» или FICUS. Партнерство позволяет ученым всего мира использовать возможности обоих пользовательских объектов КА для более полного понимания фундаментальных научных вопросов. В команду О’Мэлли также входили ученые из PNNL, DOE JGI, Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда и Университета Харпера Адамса.«Используя возможности секвенирования РНК и характеристики белков на соответствующих объектах, мы продвинули исследования биотоплива способами, которые иначе были бы невозможны», — сказала Сюзанна Триндж, заместитель DOE JGI по пользовательским программам. «Эта совместная программа была создана, чтобы побудить исследователей и дать им возможность более легко интегрировать опыт и возможности множества пользовательских объектов в свои исследования.
FICUS предлагает универсальный подход к доступу к технологической инфраструктуре, который быстро становится моделью для сотрудничества».Помимо новейших технологий омики и трансконтинентальных команд, эти открытия были бы невозможны без самых скромных веществ.
Совок какашкиКомпании хотят превратить биомассу, такую как древесина, водоросли и травы, в топливо или химические вещества.
Проблема: матрица сложных молекул, содержащихся в стенках растительных клеток — лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы — объединяется, чтобы создать биологический эквивалент железобетона. Когда промышленность не может разрушить эту биомассу, они предварительно обрабатывают ее с помощью тепла или химикатов.
Или выбросить. Оба варианта увеличивают стоимость готового продукта.
У многих сельскохозяйственных животных нет проблем с расщеплением этих же молекул, что вдохновило исследовательскую группу на исследования. Их поиск начался в зоопарке Санта-Барбары и в конюшне в Массачусетсе, где они собирали навоз коз, лошадей и овец. Чем свежее образец, тем лучше для этого скотного двора живые экземпляры грибов, питающихся биомассой.
Как одни из первых в мире одноклеточных организмов, содержащих ядра, анаэробные кишечные грибы существовали еще до появления динозавров. Ученые давно знают, что они играют важную роль в переваривании растений травоядными животными. Одна из причин связана с роением некоторых грибов.
Когда грибы размножаются, они выпускают десятки спор с хвостообразными отростками, называемыми жгутиками. Эти детские грибы плавают, как головастики, и находят новую пищу в кишечнике.
Затем они обменивают хвосты на структуры, похожие на корни, называемые гифами, которые проникают в растительный материал. Тогда листва становится пищей.О’Мэлли и ее коллеги знали, что гифы грибов выделяют белки, называемые ферментами, которые расщепляют растительный материал. Подобно инструментам в ящике для инструментов, чем разнообразнее ферменты, тем лучше грибы могут разбирать растения и превращать их в пищу.
Если промышленность сможет обуздать грибки с помощью такого набора инструментов, она сможет более эффективно разрушать сырую биомассу.«Несмотря на увлекательную биологию, анаэробные кишечные грибки сложно изолировать и изучить», — сказал Скотт Бейкер, руководитель научной темы EMSL в отделе биосистемной динамики и дизайна. «Используя передовые научные возможности EMSL и JGI, О’Мэлли показал, как огромный каталог ферментов анаэробных кишечных грибов может способствовать развитию производства биотоплива».
Чтобы найти этот приз, исследовательской группе нужна была карта. Ну, две карты. Так что вооружившись совком какашек, они глубже изучили кишечные грибы.Грибы — лучшие из лучших
В руках ученых список ферментов, вырабатываемых кишечными грибами, является первым шагом к раскрытию их потенциала производства биотоплива. Подобно монахам в монастыре, копирующих религиозные тексты, молекулы РНК-посланника транскрибируют генетическую информацию, необходимую для производства белков, в том числе ферментов. Итак, DOE JGI секвенировал мРНК нескольких кишечных грибов, чтобы придумать их транскриптом, который представляет все возможные белки, которые они могут производить.О’Мэлли сравнил эту попытку с воссозданием карты из ее частей, только не видя полной картины.
Поскольку не все белки являются ферментами, исследователям нужно было перепроверить свою карту с другой. Войдите в EMSL, где исследователи создали вторую карту, которая идентифицировала ферменты, которые действительно производили грибы. Этот так называемый протеом действовал как ориентир, который соответствовал карте JGI, выделяя ферменты, разлагающие биомассу, в транскриптоме.Вместе карты JGI и EMSL указывают на сокровищницу ферментов, которые кишечные грибы могут производить.
По сравнению с промышленными разновидностями, которые содержат около 100 ферментов, кишечные грибы могут производить на сотни больше. Следует отметить, что грибы лучше вырабатывают ферменты, разрушающие гемицеллюлозу, содержащуюся в древесине, называемую ксиланом. И когда ученые изменили рацион грибов с канареечной травы на сахар, грибы отреагировали изменением вырабатываемых ферментов. Другими словами, грибы могут обновлять свой ферментный арсенал на лету.
«Поскольку кишечные грибы имеют больше инструментов для преобразования биомассы в топливо, они могут работать быстрее и с большим разнообразием растительного материала. Это откроет много возможностей для индустрии биотоплива», — сказал О’Мэлли, исследование которого финансировалось США. Министерство энергетики, Управление науки, Министерство сельского хозяйства США и Институт совместных биотехнологий.
Кроме того, О’Мэлли был удостоен награды Министерства энергетики США за раннюю карьеру в рамках Программы биологических и экологических исследований.
