Некоторые химические вещества, используемые для ускорения разрушения растений для производства биотоплива, такие как этанол, являются ядом для дрожжей, которые превращают растительные сахара в топливо.
Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон и нескольких лабораторий Министерства энергетики определили два изменения в одном гене, которые могут сделать дрожжи устойчивыми к химическим веществам предварительной обработки. Недавно они опубликовали свои выводы в журнале Genetics..
Даже на передовой фабрике превращение растительных материалов, таких как травы или оставшиеся стебли кукурузы, в биотопливо часто имитирует способ, которым природа возвращает питательные вещества для растений в почву, воздух и воду. Так или иначе, растительные клетки разрушаются физически, химически и микробами почти так же, как разлагаются естественным образом.
«Но процесс разложения растительного материала очень медленный. Чтобы полностью разложиться упавшее дерево, требуются годы», - говорит Трей Сато, старший научный сотрудник Исследовательского центра биоэнергетики Великих озер в Мэдисоне. ведущий научный сотрудник по изучению дрожжей. «Такой срок несовместим с промышленными ситуациями, когда цель состоит в том, чтобы как можно быстрее произвести как можно больше продукта, чтобы доставить его на рынок для продажи».
Так что производители биотоплива частично ускоряют процесс, предварительно обрабатывая сырую растительную биомассу. Предварительная обработка может включать применение газообразного аммиака, кислот, тепла и давления, солей, называемых ионными жидкостями, или комбинации этих и других схем.
После предварительной обработки целлюлоза, из которой состоят стенки и волокна растительных клеток, расщепляется ферментами с выделением сахара. Сахар сбраживается в топливо микробами - часто тщательно выведенными и сконструированными версиями дрожжей Saccharomyces cerevisiae, которые также используются для ферментации вина, пива и закваски для хлеба.
«Эти ионные жидкости полезны для предварительной обработки и запуска процесса», - говорит Сато. «Проблема в том, что даже после того, как вы приложите усилия, чтобы удалить и восстановить как можно больше ионных жидкостей из своей биомассы, прежде чем приступить к ферментации, количество, которое вы не можете получить, достаточно, чтобы быть токсичным для многих. микробов."
Этой токсичности достаточно, чтобы сделать дрожжи на 70 процентов менее эффективными при превращении сахара в биотопливо, что является катастрофической потерей для промышленного процесса.
Сато и сотрудники UW-Madison, Объединенного института биоэнергетики и национальных лабораторий Лоуренса Ливермора, Лоуренса Беркли и Сандии искали способ преодолеть этот барьер.
"Природа, наверное, лучший инженер. На разработку и оптимизацию биологических систем ушли миллионы лет эволюции, - говорит Сато. - Таким образом, одним из решений может быть поиск замены дрожжам, другого микроба, способного сбраживать целлюлозные сахара, а также переваривать ионные жидкости."
Но многие биотопливные компании и инженеры вложили много времени и ресурсов в настройку своих собственных дрожжей и строительство биотопливных реакторов на основе предпочтительных штаммов. Другой ферментирующий организм может вернуть их на круги своя.
Итак, исследователи обратились к множеству штаммов S. cerevisiae, выделенных из разных экологических ниш. Из 136 исследованных изолятов дрожжей они обнаружили один штамм с выдающейся устойчивостью к ионным жидкостям. Они проверили последовательности ДНК этого штамма и идентифицировали пару генов, являющихся ключевыми для выживания при воздействии токсичных химических веществ предварительной обработки. Один из генов, называемый SGE1, производит белок, который оседает на мембране дрожжевой клетки и работает как насос для удаления токсинов.
«Если у вас есть больше таких насосов на поверхности клетки, вы можете получить больше молекул ионной жидкости из вашей клетки», - говорит Сато.
Изменения всего двух отдельных нуклеотидов среди более чем 12 миллионов, составляющих геном дрожжей, достаточно, чтобы увеличить производство этих клеточных насосов и защитить дрожжи от ионных жидкостей. Исследователи использовали инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы изменить штамм чувствительных к ионной жидкости дрожжей, внедрив два однонуклеотидных изменения и успешно получив дрожжи, которые могут выживать и ферментироваться вместе с количеством ионной жидкости, которое обычно токсично.
«Теперь любой, кто использует эти дрожжи, может посмотреть на определенный ген в своем собственном штамме и сказать, совместим ли он и полезен ли он для процесса с ионной жидкостью или нет», - говорит Сато. «Это простая инженерная процедура, которая не занимает много времени и не требует больших затрат. Ее можно исправить с помощью CRISPR за неделю или две."
Сато говорит, что следующим шагом будет испытание модифицированных дрожжей за пределами лаборатории, включающих реальный растительный материал, используемый в качестве сырья для биотоплива.
В исследовании участвовали Майкл Телен из Объединенного института биоэнергетики и профессора генетики UW-Madison Одри Гаш и Крис Хиттингер, а также профессор биохимии и бактериологии Роберт Ландик.