Mohly by krávy zlepšit biopaliva?

Studie mikrobů, které umožňují kravám trávit trávu, by mohla vést k lepším způsobům výroby celulózových biopaliv.

Moo-crobes: Vědci získali přístup do bachoru této krávy otvorem viditelným na levé straně zvířete. Vědci použili pytle s prosakem umístěným v bachoru krav, aby zachytily mikroby, které dokážou zkvasit tvrdou rostlinu.

Biopaliva vyrobená ze zemědělského odpadu, pilin a prérijní trávy slibují, že budou ekonomičtější než biopaliva získaná z kukuřice, cukrové třtiny a dalších potravinářských plodin.

Prvním krokem u celulózových biopaliv je přeměna houževnatých rostlinných materiálů vyrobených z celulózy a ligninu na cukry, které lze následně fermentovat na paliva. Ale to je drahé a v současnosti vyžaduje velké množství enzymů k rozkladu celulózy. Mluvíme o kamionech, říká Frances Arnoldová , profesor chemického inženýrství na Caltechu, který se nepodílel na výzkumu krav. Potřebujeme dvou až pětinásobné snížení nákladů na enzymy, říká.

Naproti tomu mikrobi, kteří žijí v části trávicího traktu skotu zvané bachor, přeměňují celulózu na cukr efektivně po miliony let. Výzkumníci doufají, že nová databáze 28 000 genů sekvenovaných z mikrobů zapojených do trávení skotu pomůže inženýrům přijít s novými enzymy a sníží náklady na výrobu celulózových biopaliv.

Dosud výrobci snižovali náklady na výrobu celulolytických enzymů především změnou metod zpracování. Dalším přístupem by bylo vyrobit enzymy, které by fungovaly rychleji nebo fungovaly za různých podmínek, jako jsou extrémní teploty, což by mohlo usnadnit rozklad rostlinné hmoty. Abychom začali snižovat náklady na výrobu celulózových biopaliv, potřebujeme nové enzymy, které toho umí víc, říká Eddy Rubin , ředitel Spojeného genomového institutu amerického ministerstva energetiky. Rubin vedl studii na krávě s mikroby.

Problém je v tom, že odhadem 99,9 procenta všech mikrobů na Zemi, včetně těch v kravském bachoru, nelze pěstovat v kultuře v laboratoři. Takže bioprospektoři, kteří hledají přírodní mikrobiální enzymy s průmyslovým příslibem, měli velmi omezenou zásobu materiálu, se kterým mohli pracovat. Naštěstí to nové technologie sekvenování genů mění a umožňují výzkumníkům objevovat mikrobiální enzymy tím, že hledají jejich geny. Bez toho, aby museli v laboratoři pěstovat mikroby, mohou výzkumníci sekvenovat veškerý genetický materiál přítomný v celém ekosystému a poté tato data prozkoumat na geny, které nás zajímají. Tento typ výzkumu se nazývá metagenomika.

Rubinova skupina zahájila hledání lepších celulolytických enzymů studiem termitů v roce 2007. Mikrobi žijící ve střevech termitů fermentují dřevitou hmotu na cukry. Potíž s termity, říká Rubin, spočívala v tom, že bylo těžké získat mnoho materiálu pro práci, protože vnitřnosti termitů jsou malá. Studie nevygenerovaly mnoho genů v plné délce potřebných k výrobě fungujících enzymů.

Do bachoru krávy se vejde přes 150 litrů trávící potravy, což výzkumníkům poskytuje spoustu materiálu, se kterým mohou pracovat. Krávy jsou zvláště výhodnými testovacími subjekty pro tento typ studie z jiného důvodu. Zemědělští vědci vyvinuli systém pro umístění otvoru zakrytého oknem do bachoru krav. Je doslova možné podívat se do žaludku skrz toto okno, nazývané píštěl, a dát dovnitř experimentální vzorky a pak je vytáhnout. Ve spolupráci s výzkumníky z University of Illinois, kteří mají v kampusu krávy opatřené píštělemi, vědci z Joint Genome Institute vložili kravám do žaludků pytlíky prosa prutnatého, nechali je sedět 48 hodin a zase je vytáhli. Předpokládalo se, že mikroby, které ulpívají na prosa, se podílejí na jeho fermentaci.

Vědci poté mikroby oddělili, rozbili a sekvenovali veškerý genetický materiál, který našli. Vědci byli schopni vytvořit obrovské množství dat o genech a některých genomech nalezených v bachoru krav. Našli asi 250 miliard párů bází genů, což je asi 10krát více, než tvoří lidský genom.

Úkolem pak bylo interpretovat všechna tato data. Pomocí vysoce výkonných výpočetních zařízení v kalifornské laboratoři Lawrence Berkeley National Lab skupina porovnala sekvence krávy a mikrobů s databází sekvencí, o nichž je známo, že kódují enzymy, které štěpí sacharidy. To vedlo k fondu 28 000 genů pro další studium. Vědci pak pomocí laboratorních bakterií vyrobili proteiny kódované 90 z těchto genů a testovali jejich funkčnost. Zhruba polovina z nich dokázala rozložit celulózové materiály.

Kromě 28 000 identifikovaných genů byli vědci schopni znovu sestavit genomy několika dříve neobjevených mikrobiálních druhů. Aby otestovali tuto část studie, izolovali jednu nekultivovatelnou bakteriální buňku ze vzorků bachoru a sekvenovali její genom. Shodoval se s jedním z těch, které sestavili. Tato kontrola biologické reality nás činí docela sebevědomými, říká Rubin.

Jak bude nová databáze používána, není jasné. Je to encyklopedie, kterou si lidé mohou vytáhnout, říká Rubin.

Předchozí snahy přijít s novými celulytickými enzymy příliš nevedly. Existují dva způsoby, jak to udělat. Jedním z nich je pokusit se aktivovat enzymy. Dalším způsobem, který Rubin a Arnold z Caltechu považují za nadějnější, je najít nebo vyrobit enzymy, které jsou nejen aktivnější, ale také fungují v extrémních podmínkách, které by mohly pomoci usnadnit rozklad houževnatých rostlin, jako jsou rostliny při vysokých teplotách a vysokých teplotách. -solné roztoky – podmínky, které destabilizují dnešní enzymy.

Mezitím výzkumníci aplikují metagenomickou analýzu na další mikrobiální komunity, které fermentují tvrdé rostliny. David Weiner, vedoucí výzkumu a vývoje enzymové společnosti Verenium , říká, že jeho společnost již má enzymy termitů a mikrobů ve svém procesu hodnocení produktů. Společnost se podílela na dřívějších studiích termitů provedených výzkumníky Joint Genome Institute a vyvinula platformu pro urychlení testování nových enzymů. Weiner říká, že společnost hledá enzymové geny i u dalších přežvýkavců, včetně zeber, a ve vzorcích odebraných například z rozkládajících se kmenů. Verenium loni na podzim prodalo část svého podnikání s celulolytickými enzymy společnosti BP.

skrýt