Ученые из Университета Висконсин-Мэдисон и Исследовательского центра биоэнергетики Великих озер (GLBRC) нашли способ почти удвоить эффективность, с которой широко используемый штамм промышленных дрожжей превращает растительные сахара в биотопливо. Недавно разработанные «супердрожжи» могут повысить экономичность производства этанола, специального биотоплива и биопродуктов.
Хотя Saccharomyces cerevisiae на протяжении веков были предпочтительными пекарскими и пивными дрожжами, они представляют собой уникальную проблему для исследователей, использующих их для производства биотоплива из целлюлозной биомассы, такой как травы, древесина или несъедобная часть растений. Этот всемирно известный микроб хорошо разбирается в превращении растительной глюкозы в биотопливо, но в остальном он привередлив в еде, игнорируя растительную ксилозу, пятиуглеродный сахар, который может составлять почти половину всех доступных растительных сахаров.
«Чтобы целлюлозное биотопливо стало экономически целесообразным, микробы должны быть в состоянии преобразовывать все растительные сахара, включая ксилозу, в топливо», - говорит Трей Сато, ведущий исследователь исследования GLBRC и научный сотрудник UW-Madison..
В исследовании, опубликованном в журнале PLOS Genetics, Сато и его сотрудники из GLBRC описывают выделение специфических генетических мутаций, которые позволяют S. cerevisiae превращать ксилозу в этанол, открытие, которое может превратить ксилозу из отходов в продукт жизнедеятельности. источник топлива. Чтобы раскрыть эти генетические мутации, исследователям пришлось распутать миллионы лет эволюции, выяснив, что вообще привело к тому, что S. cerevisiae стала настолько избирательной в своих пищевых привычках.
Во-первых, Сато и его коллеги дали дрожжам выбор, похожий на употребление моркови на ужин или вообще ничего, окружающих S.cerevisiae ксилозой до тех пор, пока она либо не пересмотрела свое отвращение к ксилозе, либо не умерла. Потребовалось 10 месяцев и сотни поколений «направленной эволюции» для Сато и его коллег, включая соавторов Роберта Ландика, профессора биохимии из Университета Вашингтона в Мэдисоне, и Одри Гаш, профессора генетики из Университета Вашингтона в Мэдисоне, чтобы создать штамм S. cerevisiae, способный ферментировать ксилозу.
После того, как исследователи выделили супердрожжи, которые они назвали GLBRCY128, им также необходимо было точно понять, как происходила эволюция, чтобы воспроизвести ее. Гаш сравнил геном Y128 с исходным штаммом, прочесав примерно 5 200 генов каждого, чтобы найти четыре генные мутации, ответственные за адаптированное поведение. Чтобы подтвердить свои выводы, исследователи вручную удалили эти мутации из родительского штамма, получив тот же результат.
Сато говорит, что эта работа может способствовать развитию широкого круга исследований в области биотоплива. Опубликовав метод изготовления Y128, исследователи могут сами сделать его для целей применения к новым технологиям предварительной обработки биомассы или к различным растительным материалам.«Ученым не нужно будет приспосабливать свои исследования к процессу, который мы делаем здесь», - говорит он. «Они могут просто взять нашу технологию и сделать свой собственный сорт».
Будущие исследования могут также сосредоточиться на потенциально важной роли супердрожжей в создании специального биотоплива и биопродуктов.
«Мы хотим взять этот штамм и создать молекулы более высокого порядка, которые можно будет в дальнейшем преобразовать в топливо для реактивных двигателей или что-то вроде изобутанола, липидов или дизельного топлива», - говорит Сато. «И если мы знаем, как лучше метаболизировать углерод, включая ксилозу, любой теоретически должен быть в состоянии перепрограммировать или изменить метаболические пути для производства различных продуктов биотоплива».