Кишечные грибы травоядных имеют большие перспективы. Просто спросите Мишель О'Мэлли.
«Большая часть того, что мы делаем, находит отклик у публики, - это удаление странных, неожиданных микробов из окружающей среды», - сказал доцент кафедры химического машиностроения Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Часто окружающая среда, о которой она говорит, - это кишечник крупного травоядного, такого как корова, лошадь или животное из зоопарка. Именно там она и ее коллеги-исследователи открыли организмы, которые можно сконструировать для нужд человека.
В результатах, опубликованных в журнале Nature Microbiology, О'Мэлли и более 20 его коллег описывают новый комплекс ферментов, обнаруженный в кишечных грибах травоядных, который может найти применение в экологически безопасных видах топлива и химических веществах. Статья называется «Список частей целлюлосом грибов, выявленный с помощью сравнительной геномики».
Ферменты являются движущей силой биологической химии, а грибы, открытые группой О'Мэлли, такие как Anaeromyces robustus (названные в честь серого кита, частично основанные на том, как они выглядят под микроскопом), обладают необычными и желаемыми характеристиками, особенно способность превращать лигноцеллюлозу из растений в сахара.
В уникальной структуре A. robustus отдельные ферменты выстроены в виде большой белковой массы или каркаса, называемого целлюлосомой, так что они прилипают друг к другу и накапливаются, что-то вроде Lego. Структура ферментов - докерин - позволяет ферменту подключаться к механизму каркаса. В результате, как объяснил О'Мэлли, вся структура «как бы склеивает ферменты вместе для максимального воздействия на несъедобные части растений». Этот процесс резко отличается от того, как промышленность достигает того же самого, полагаясь на свободно плавающие смеси ферментов для расщепления биомассы.
Этот метод может иметь значение для заводов по производству целлюлозного биотоплива, которые производят этанол из отходов - кукурузной шелухи и початков, а не из съедобных зерен, что является большим достижением в решении проблемы использования сельскохозяйственных земель для выращивания кукурузы в качестве топлива. чем на еду. «Исходя из наших предварительных данных, ферменты, которые мы изучаем, потенциально могут быть лучше для промышленного использования, чем те, которые используются сейчас», - сказал Шон Гилмор, доктор философии. студент в лаборатории О'Мэлли и соавтор статьи, который также идентифицировал новые ферменты при изучении геномов новых грибов.
В нынешнем производстве целлюлозного биотоплива, объяснил О'Мэлли, «вам нужно иметь несколько различных «ароматов» ферментов, чтобы получить желаемый конечный продукт. У каждого фермента своя работа. Эти ферменты добавляются как своего рода смесью коктейля, и они случайным образом сталкиваются друг с другом, создавая необходимые реагенты Отличие идентифицированных нами структур состоит в том, что ферменты связаны, поэтому реакции и их продукты перемещаются по конвейеру, расширяя свою активность для максимальное воздействие, а не случайность."
Схожие функционирующие структуры обнаруживаются у бактерий, но в этой среде они совершенно другие. «Принцип тот же, но механизм совершенно другой», - сказал О'Мэлли.
«Это предполагает, что они развивались независимо друг от друга, с одной и той же целью разрушения целлюлозного материала», - добавил Гилмор. «Эволюционно они произошли из разных мест, но живут в одной и той же среде, поэтому сходные структуры развивались по-разному. Природа не просто так подтолкнула их к этому; они заполняют определенную нишу."
Этот отчет является первым, в котором описываются целлюлосомные структуры грибов и отмечается, что грибы «украли» некоторые части у бактерий посредством процесса, называемого «горизонтальным переносом генов». О'Мэлли описал это как «жизнь с соседом по комнате и перенимание некоторых его привычек. Грибы и бактерии развивали эти машины по-разному, но по пути грибы брали у бактерий то, что им нравилось. необычно, особенно если учесть, что на древе жизни даже примитивные анаэробные грибы, такие как те три, геном которых был секвенирован в этом исследовании, эволюционно гораздо ближе к людям, чем к бактериям. Это делает этот пример горизонтального переноса генов «новаторским, потому что он прыжок в длину», - сказал О'Мэлли.
Понимание вновь выявленных комплексов дает нам лучшее понимание того, как целлюлоза превращается в сахар.«С точки зрения биотехнологии, это дает нам рецепт для создания подобных комплексов, которые затем можно было бы спроектировать для более эффективного разрушения широко доступных отходов сельскохозяйственных культур», - отметил О'Мэлли. «Это вся идея производства с добавленной стоимостью: вы берете что-то, что люди раньше просто сжигали, а затем используете эти ферментные машины для извлечения из него сахара, который скармливается микробам, которые затем могут делать для нас вещи. Далее, знание эти грибковые комплексы могут быть использованы для создания полностью синтетических сборочных линий для создания, например, новых химикатов и фармацевтических препаратов».
Одним из ключевых процессов исследования было сравнение геномных сборок грибковых ферментов с геномами других разлагающих биомассу микробов, что стало возможным только благодаря недавним прорывам в методах секвенирования генома, Гилмор вспоминает, как испытал «вау» момент, когда смотрел на последовательности, а не на физический белок: «Когда мы получили последовательность, первое, что я сделал, это отсортировал по размеру, и вверху вы могли видеть большой, нехарактерный белок. Я подумал: «Этого не может быть».
«Мы думали искать что-то подобное, потому что мы знали, что ферменты должны собираться во что-то, - добавил О'Мэлли, - но мы не знали, что искать, кроме того, что эта штука должна вероятно, будет большим и повторяющимся по структуре.
«Находить что-то - это здорово, а для инженеров это редкость», - добавил О'Мэлли. Я очень горжусь тем фактом, что наши исследования пытаются сбалансировать усилия в области открытий и разработки. И работа с необычными микробами предлагает способ сделать это».