211service.com
Dlaczego jelita termitów mogą przynieść lepsze biopaliwa?
Naukowcy sekwencjonują genomy całych społeczności drobnoustrojów w nadziei na odkrycie nowych genów i organizmów, które mogą wytwarzać paliwo, wydobywać metale lub oczyszczać miejsca superfunduszy. Dziedzina ta, znana jako metagenomika, opiera się na badaniu fragmentów DNA z różnych organizmów żyjących w tym samym miejscu. Dzięki ciągle ulepszanym metodom sekwencjonowania rośnie liczba projektów metagenomowych, co daje naukowcom niezliczoną ilość nowych genów do zbadania.
Mikroby żyjące w jelitach termitów (pokazane powyżej) pozwalają owadom trawić drewno. Naukowcy mają nadzieję, że dokooptują geny drobnoustrojów odpowiedzialne za ten proces, aby wydajniej wytwarzać biopaliwa z drzew i traw.
To otwiera nowy sposób patrzenia na te organizmy, mówi Jim Bristow , dyrektor programu sekwencjonowania społeczności w Department of Energy’s Joint Genome Institute, w Walnut Creek, CA. Prawdopodobnie odkryjemy wiele podstawowych procesów, o których wcześniej nic nie wiedzieliśmy.
Mikroorganizmy stanowią niezmiernie ważną i często pomijaną część środowiska. Stanowią one większość naszej biosfery i stanowią podstawę wszystkich cykli odżywczych na naszej planecie, mówi Philipa Hugenholtza , lider program ekologii mikrobiologicznej w Joint Genome Institute. Ale nasze rozumienie tych systemów jest wciąż szczątkowe. Mikrobiolodzy chcieliby lepiej zrozumieć te społeczności, aby móc dokooptować przydatne geny lub organizmy, takie jak te, które usuwają zanieczyszczenia z gleby, lub lepiej kontrolować społeczności drobnoustrojów, takie jak te, które żyją w naszych ustach lub jelitach.
Standardowym sposobem identyfikacji i badania drobnoustrojów żyjących w określonej społeczności jest hodowanie ich w laboratorium, ale jest to możliwe tylko w przypadku około 1 procenta drobnoustrojów. Jednak w ciągu ostatnich dwóch lat szybsze i tańsze metody sekwencjonowania genów zaoferowały mikrobiologom nowe narzędzie do badania pozostałych 99 procent. Naukowcy mogą wyodrębnić DNA, powiedzmy, z kropli wody morskiej lub próbki szlamu z oczyszczalni ścieków, a następnie zsekwencjonować to DNA, uzyskując genomowe wskazówki dotyczące wszystkich organizmów żyjących w tym środowisku.
Składanie losowych fragmentów DNA generowanych podczas sekwencjonowania może być wyzwaniem – w niektórych przypadkach nawet niemożliwym. Hugenholtz porównuje ten proces do próby ułożenia tysiąca puzzli z jednego pudełka, które zawiera tylko kilka elementów z każdej układanki. Więc zamiast w pełni składać te genomowe łamigłówki, naukowcy starają się zrozumieć poszczególne fragmenty lub geny. Na przykład identyfikacja genów, które umożliwiają mikroorganizmom w jelicie termitów trawienie drewna, może prowadzić do lepszych biopaliw. Przekształcanie celulozy w drzewach i trawach w cukry proste, które można fermentować w etanol, jest bardzo energochłonnym procesem. Gdybyśmy mieli do tego lepszą maszynerię enzymatyczną, moglibyśmy lepiej przetwarzać cukry w etanol, mówi Bristow. Termity to najlepsze biokonwertery na świecie.
Naukowcy z Joint Genome Institute, który zsekwencjonował część ludzkiego genomu i jest obecnie w dużej mierze poświęcony metagenomice, właśnie zakończyli sekwencjonowanie społeczności drobnoustrojów żyjących w jelicie termitów. Zidentyfikowali już szereg nowych celulaz – enzymów rozkładających celulozę na cukier – a teraz przyglądają się wnętrznościom innych owadów trawiących drewno, takich jak populacja beztlenowa, która zjada wióry topoli. Końcowym rezultatem będzie w zasadzie gigantyczna lista części, którą biolodzy syntetyczni mogą zestawić, aby stworzyć idealny organizm wytwarzający energię, mówi Hugenholtz.
Kilka innych projektów – od padliny wielorybów po osady ściekowe – jest w trakcie lub już ukończone, obiecując ogromną ilość nowych danych genetycznych. Na przykład niedawny projekt na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley zidentyfikował trzy nowe organizmy żyjące w silnie kwaśnym środowisku opuszczonych kopalń. (Bakterie pokrywające podłogi tych kopalń zamieniają żelazo w kwas, który następnie może zanieczyszczać pobliskie strumienie.) Są one zbliżone do rozmiarów wirusów i mogą być najmniejszymi organizmami, jakie kiedykolwiek odkryto, mówi Brett Baker, naukowiec z UC Berkeley, który pracował nad projektem z Jill Banfield , również na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Organizmy te mogą dawać wskazówki na temat innych form życia przystosowanych do ekstremalnych środowisk, takich jak Mars.
Następną przeszkodą w metagenomice będzie próba znalezienia funkcji wielu nowo zidentyfikowanych genów: w przeciwieństwie do celulaz u termitów, większość genów ma niewielkie podobieństwo strukturalne do genów dobrze zbadanych organizmów, co utrudnia wywnioskowanie ich funkcji. W próbce wody z Morza Sargassowego, zebranej przez pioniera genomiki Craiga Ventera, dwie najbardziej powszechne i prawdopodobnie najważniejsze rodziny genów są całkowicie wyjątkowe: naukowcy nie mają pojęcia, co robią. Pod pewnymi względami skupianie się na ogromnych górach w krajobrazie genomowym jest prymitywne, mówi Hugenholtz. Ale od razu zwraca uwagę na interesujące kierunki, którymi należy podążać. Obecnie trwają badania strukturalne, aby spróbować określić funkcję tych białek.
Projekty metagenomiczne mogą ostatecznie rzucić światło na te nieznane geny. Możemy przyjrzeć się reprezentacjom genów o nieznanej funkcji w podobnych środowiskach, porównać je ze środowiskami, które nie mają określonej funkcji, a następnie przeprowadzić triangulację, mówi Bristow. Dodaje, że pewnego dnia sygnatury metagenomiczne mogą zostać wykorzystane jako odcisk palca do identyfikacji określonych środowisk. „Mogą być użyte jako sposób na zidentyfikowanie miejsc, w których możesz chcieć wiercić w poszukiwaniu ropy lub szukać minerałów lub jakiegoś rodzaju zanieczyszczeń”, mówi. Samo zobaczenie genów może ci powiedzieć, co się tam dzieje.