211service.com
Czy krowy mogą wytwarzać lepsze biopaliwa?
Badanie drobnoustrojów, które pozwalają krowom trawić trawę, może doprowadzić do lepszych sposobów wytwarzania biopaliw celulozowych.
Moo-crobes: Naukowcy uzyskali dostęp do żwacza tej krowy przez otwór widoczny po lewej stronie zwierzęcia. Naukowcy wykorzystali worki prosa rózgowego umieszczone w żwaczach krów, aby wyłapać drobnoustroje, które mogą fermentować twardą roślinę.
Biopaliwa wytwarzane z odpadów rolniczych, trocin i trawy preriowej mogą być bardziej ekonomiczne niż biopaliwa pochodzące z kukurydzy, trzciny cukrowej i innych roślin spożywczych.
Pierwszym krokiem w biopaliwach celulozowych jest przekształcenie twardych materiałów roślinnych wykonanych z celulozy i ligniny w cukry, które można następnie poddać fermentacji w celu wytworzenia paliw. Jest to jednak drogie i obecnie wymaga dużej ilości enzymów do rozbicia celulozy. Mówimy o ciężarówkach, mówi Frances Arnold , profesor inżynierii chemicznej w Caltech, który nie był zaangażowany w badania nad krowami. Mówi, że potrzebujemy od dwóch do pięciu razy obniżki kosztów enzymów.
W przeciwieństwie do tego, drobnoustroje żyjące w części przewodu pokarmowego bydła zwanej żwaczem skutecznie zamieniają celulozę w cukier od milionów lat. Naukowcy mają nadzieję, że nowa baza danych zawierająca 28 000 genów zsekwencjonowanych z drobnoustrojów biorących udział w trawieniu bydła pomoże inżynierom w opracowaniu nowych enzymów i obniży koszty wytwarzania biopaliw celulozowych.
Dotychczas producenci obniżali koszty wytwarzania enzymów celulolitycznych głównie poprzez zmianę metod przetwarzania. Innym podejściem byłoby wytworzenie enzymów, które działają szybciej lub działają w różnych warunkach, takich jak ekstremalne temperatury, które mogą ułatwiać rozkład materii roślinnej. Aby zacząć obniżać koszty produkcji biopaliw celulozowych, potrzebujemy nowych enzymów, które potrafią więcej, mówi Eddy Rubin , dyrektor Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych Joint Genome Institute. Rubin prowadził badania nad mikrobami krów.
Kłopot polega na tym, że około 99,9 procent wszystkich drobnoustrojów na ziemi, w tym w żwaczu krów, nie może być hodowanych w laboratorium. Tak więc bioposzukiwacze poszukujący naturalnych enzymów drobnoustrojowych, obiecujących na skalę przemysłową, mieli do dyspozycji bardzo ograniczoną pulę materiałów. Na szczęście nowe technologie sekwencjonowania genów to zmieniają, umożliwiając naukowcom odkrywanie enzymów drobnoustrojów poprzez przyjrzenie się ich genom. Bez konieczności hodowania drobnoustrojów w laboratorium, naukowcy mogą sekwencjonować cały materiał genetyczny obecny w całym ekosystemie, a następnie przeszukiwać te dane pod kątem interesujących genów. Ten rodzaj badań nazywa się metagenomiką.
Grupa Rubina rozpoczęła poszukiwania lepszych enzymów celulolitycznych od badania termitów w 2007 roku. Mikroby żyjące w jelitach termitów fermentują zdrewniałe pasze objętościowe na cukry. Problem z termitami, mówi Rubin, polegał na tym, że trudno było uzyskać dużo materiału do pracy, ponieważ wnętrzności termitów są małe. Badania nie wygenerowały wielu genów pełnej długości potrzebnych do wytworzenia działających enzymów.
Żwacz krowy może pomieścić ponad 150 litrów trawionego pokarmu, co daje naukowcom mnóstwo materiału do pracy. Krowy są szczególnie korzystnymi obiektami testowymi do tego typu badań z innego powodu. Naukowcy zajmujący się rolnictwem opracowali system zakładania otworu zakrytego oknem w żwaczu krów. Dosłownie można zajrzeć do żołądka przez to okno, zwane przetoką, i włożyć do środka próbki eksperymentalne, a następnie je wyciągnąć. Współpracując z naukowcami z University of Illinois, którzy mają krowy z przetokami w kampusie, badacze z Joint Genome Institute włożyli worki prosa rózgowego do żołądków krów, pozostawili je na 48 godzin i wyjęli z powrotem. Przypuszcza się, że drobnoustroje przylegające do prosa rózgowego biorą udział w jego fermentacji.
Następnie naukowcy oddzielili drobnoustroje, rozbili je i zsekwencjonowali cały znaleziony materiał genetyczny. Naukowcy byli w stanie wytworzyć ogromną ilość danych na temat genów i niektórych genomów znalezionych w żwaczu krowy. Odkryli około 250 miliardów par zasad genów, około 10 razy więcej niż składa się na ludzki genom.
Wyzwaniem była zatem interpretacja wszystkich tych danych. Korzystając z wysokowydajnych urządzeń obliczeniowych w kalifornijskim Lawrence Berkeley National Lab, grupa porównała sekwencje drobnoustrojów krów z bazą danych sekwencji, o których wiadomo, że kodują enzymy rozkładające węglowodany. Doprowadziło to do powstania puli 28 000 genów do dalszych badań. Następnie naukowcy wykorzystali bakterie laboratoryjne do wytworzenia białek kodowanych przez 90 z tych genów i przetestowali ich funkcjonalność. Około połowa z nich była w stanie rozłożyć materiały celulozowe.
Oprócz zidentyfikowanych 28 000 genów naukowcom udało się ponownie złożyć genomy kilku wcześniej nieodkrytych gatunków drobnoustrojów. Aby przetestować tę część badań, wyizolowali z próbek żwacza pojedynczą komórkę bakteryjną, której nie można było hodować, i zsekwencjonowali jej genom. Pasował do jednego z tych, które zebrali. Ten biologiczny test rzeczywistości daje nam pewność, mówi Rubin.
Nie jest jasne, w jaki sposób będzie używana nowa baza danych. To encyklopedia, w której ludzie mogą się wycofać, mówi Rubin.
Poprzednie próby wymyślenia nowych enzymów celulitycznych nie przyniosły wiele. Można to zrobić na dwa sposoby. Jednym z nich jest próba zwiększenia aktywności enzymów. Innym sposobem, który Rubin i Arnold z Caltech uważają za bardziej obiecujący, jest znalezienie lub wytworzenie enzymów, które są nie tylko bardziej aktywne, ale także działają w ekstremalnych warunkach, które mogą ułatwić rozkład twardych roślin, takich jak wysoka temperatura, wysoka -roztwory soli – warunki destabilizujące dzisiejsze enzymy.
Tymczasem naukowcy stosują analizę metagenomiczną do innych społeczności drobnoustrojów, które fermentują twarde rośliny. David Weiner, szef działu badań i rozwoju w firmie enzymatycznej Wereniu , mówi, że jego firma ma już enzymy termitów mikrobów w swoim procesie oceny produktów. Firma była zaangażowana we wcześniejsze badania termitów przeprowadzone przez naukowców z Joint Genome Institute i opracowała platformę przyspieszającą testowanie nowych enzymów. Weiner mówi, że firma poszukuje również genów enzymów u innych przeżuwaczy, w tym zebr, oraz w próbkach pobranych na przykład z rozkładających się kłód. Verenium sprzedało część swojej działalności w zakresie enzymów celullolitycznych firmie BP jesienią ubiegłego roku.