Universitatea din California, Berkeley, cercetătorii au luat gene din ciuperci care mănâncă iarbă și le-au umplut în drojdie, creând tulpini care produc alcool din material vegetal dur - celuloză - pe care drojdia normală nu o poate digera.

dieta

Faptul ar putea fi un avantaj pentru industria biocombustibililor, care se luptă să facă etanol celulozic - etanol din fibre vegetale, nu doar amidon de porumb sau zahăr - fezabil din punct de vedere economic.

„Prin adăugarea acestor gene la drojdie, am creat tulpini care cresc mai bine pe materialul vegetal decât drojdia sălbatică, care mănâncă doar glucoză sau zaharoză”, a declarat Jamie Cate, profesor asociat de biologie moleculară și celulară și om de știință al facultății la Lawrence Berkeley Laboratorul Național (LBNL). „Această îmbunătățire față de organismul sălbatic este o dovadă de principiu care ne permite să ducem tehnologia la nivelul următor, cu scopul de a inginera drojdia care poate digera și fermenta materialul vegetal într-un singur vas.”

Cercetătorii speră să introducă aceleași gene fungice în drojdia industrială care este acum utilizată pentru a transforma zahărul în biocombustibil etanol pentru a îmbunătăți eficiența procesului de fermentare.

„Utilizarea acestor transportori de celodextrină nu se limitează la drojdia care produce etanol”, a spus Cate. "Acestea ar putea fi utilizate în orice drojdie care a fost proiectată pentru a produce, de exemplu, alți alcooli sau înlocuitori ai combustibilului pentru avioane."

Cate și colegii săi UC Berkeley și LBNL, inclusiv primul autor Jonathan M. Galazka, student absolvent al UC Berkeley, își raportează succesul în revista Science Express. Lucrarea este finanțată de Energy Biosciences Institute (EBI), o colaborare de cercetare între UC Berkeley, Universitatea din Illinois, LBNL și sponsorul de finanțare, BP.

În prezent, industria biocombustibililor folosește drojdia de bere, ciuperca unicelulară Saccharomyces cerevisiae, pentru a transforma zahărul, amidonul de porumb sau alți carbohidrați simpli în etanol prin fermentare. Dar plantele conțin polimeri de zahăr pe care drojdia nu le poate mânca - în special celuloză, o moleculă dură compusă din molecule de glucoză legate între ele în lanțuri lungi. Industria biocombustibililor construiește acum plante demonstrative care vor folosi surse „celulozice” precum tulpini de porumb, frunze și știuleți, deșeuri de hârtie și alte materiale vegetale pentru a produce etanol.

Dar procesele celulozice sunt complexe și costisitoare, a spus Cate. Materialul vegetal trebuie mai întâi descompus în zaharuri printr-un proces numit zaharificare. Enzimele numite celulaze sunt adăugate pentru a converti celuloza în zaharuri cu lanț scurt, numite celodextrine, iar acestea trebuie descompuse în molecule de glucoză de către enzima beta-glucozidază. Abia atunci drojdia își poate lucra magia și poate transforma glucoza în alcool.

Cu toate acestea, alte ciuperci pot digera celuloza, deși nu produc alcool. Una dintre acestea, Neurospora crassa, o ciupercă obișnuită a cărei dietă preferată este plantele afectate de foc, a fost studiată în laborator de mai bine de 100 de ani, a spus Cate.

Anul trecut, Chaoguang Tian, ​​fost coleg post-doctorand UC Berkeley în laboratorul profesorului Louise Glass, care se află acum la Institutul de biotehnologie industrială Tianjin din China, și William T. Beeson, student absolvent la Colegiul de chimie al UC Berkeley, împreună cu Cate și alți cercetători UC Berkeley, au efectuat o analiză la nivelul genomului Neurospora crassa pentru a localiza genele care sunt activate atunci când ciuperca crește pe celuloză.

Analiza sistemelor la nivel de genom a dovedit o familie de gene care produce proteine ​​care transportă zaharurile în celula Neurospora pentru a fi utilizate ca combustibil. Cercetătorii au suspectat că unii dintre acești transportatori ar permite Neurospora să importe celulextrine - în special, moleculele cu două, trei și patru glucoză (celobioză, celotrioză și, respectiv, celotetraoză). O căutare prin genomul altor ciuperci care cresc pe plante a arătat gene similare în multe dintre ele, inclusiv trufa neagră, care este simbiotică pe rădăcinile copacilor.

Datorită muncii anterioare finanțate de Institutele Naționale de Sănătate, echipa a obținut cu ușurință tulpini Neurospora „knock-out” care lipseau gene de transport specifice și au confirmat că, fără toate acestea, ciuperca nu ar mai putea mânca celodextrine la fel de repede.

"Majoritatea transportatorilor de zahăr lasă câte un zahăr în același timp", a spus Galazka. „Transportorii de zahăr pe care i-am găsit în Neurospora au lăsat să intre într-un întreg lanț de zaharuri. Aceasta înseamnă că patru zaharuri pot pătrunde în ciupercă simultan, dacă sunt legate între ele.

Galazka a creat ulterior șase tulpini de drojdie, fiecare cu o genă suplimentară din familia transportoare Neurospora, împreună cu o genă beta-glucozidază, de asemenea, din Neurospora. Tulpinile de drojdie au produs proteine ​​transportoare Neurospora, iar două dintre tulpini au reușit să crească atât pe celodextrină, cât și pe glucoză. O tulpină a produs cu 60 la sută mai mult alcool decât drojdia normală atunci când a fost cultivată pe molecula de două glucoză, celobioză.

Aparent, a spus Galazka, în timp ce drojdia normală nu poate importa celodextrine sau le poate digera odată ce sunt în interiorul celulei, dacă li se administrează un transportor Neurospora și o beta-glucozidază din ciuperca care rămâne în interiorul celulelor, este capabilă să facă atât.

„Am făcut efectiv drojdia mai compatibilă cu enzimele folosite pentru descompunerea plantelor lemnoase”, a spus el. „Credem că descoperirea acestor transportoare este un pas cheie către conversia eficientă a materiei vegetale considerate acum deșeuri în combustibil”.

„Acum trebuie să introducem aceste gene în tulpini industriale de drojdie - drojdia consistentă, rock-em, drojdie de șosete folosită comercial - și să le facem să utilizeze materiale vegetale mai complicate”, a spus Cate.

El a menționat că un proces celulozic care utilizează drojdie cu proteine ​​transportoare ar putea evita nevoia de a adăuga beta-glucozidaze în camera de fermentație, dar ar mai fi necesare enzime pentru a descompune celuloza în celodextrine.

El și colegii săi colaborează acum cu alți cercetători EBI pentru a crea proteine ​​transportoare îmbunătățite și tulpini de drojdie.

Lucrarea Science Express a fost scrisă de Galazka, Tian, ​​Beeson și Cate, precum și de expertul în Neurospora N. Louise Glass, profesor de biologie vegetală și microbiană al UC Berkeley și de Bruno Martinez de la Divizia de științe fizice a LBNL.