Дослідники розширюють цукристу дієту дріжджів, включаючи рослинну клітковину

Університет Каліфорнії, Берклі, дослідники взяли гени грибів, що харчуються травою, і запхали їх у дріжджі, створюючи штами, які виробляють алкоголь із твердої рослинної сировини - целюлози - яку звичайні дріжджі не можуть засвоїти.

Цей подвиг може стати благом для галузі виробництва біопалива, яка намагається зробити целюлозний етанол - етанол з рослинної клітковини, а не лише кукурудзяного крохмалю або цукру - економічно доцільним.

"Додаючи ці гени до дріжджів, ми створили штами, які ростуть краще на рослинному матеріалі, ніж дикі дріжджі, які харчуються лише глюкозою або сахарозою", - сказав Джеймі Кейт, доцент університету Берклі в галузі молекулярної та клітинної біології та викладач Лоуренса Берклі Національна лабораторія (LBNL). "Це вдосконалення дикого організму є доказом принципу, який дозволяє нам вивести технологію на новий рівень, маючи на меті розробити дріжджі, які можуть перетравлювати і бродити рослинний матеріал в одному горщику".

Дослідники сподіваються вставити ті самі грибкові гени в промислові дріжджі, які зараз використовуються для перетворення цукру в біопаливо етанолу, щоб поліпшити ефективність процесу бродіння.

"Застосування цих транспортерів целодекстрину не обмежується дріжджами, які утворюють етанол", - сказала Кейт. "Вони можуть бути використані в будь-яких дріжджах, розроблених для виготовлення, наприклад, інших спиртів або реактивних замінників палива".

Кейт та його колеги з UC Berkeley та LBNL, у тому числі перший автор Джонатан М. Галазка, аспірант UC Berkeley, повідомляють про свій успіх у журналі Science Express. Робота фінансується Інститутом енергетичних біологічних наук (EBI), дослідницькою співпрацею між UC Berkeley, Університетом Іллінойсу, LBNL та спонсором фінансування, BP.

В даний час у біопаливній промисловості використовуються пивні дріжджі, одноклітинний гриб Saccharomyces cerevisiae, для перетворення цукру, кукурудзяного крохмалю чи інших простих вуглеводів у етанол шляхом бродіння. Але рослини містять цукрові полімери, які дріжджі не можуть їсти, зокрема целюлозу, міцну молекулу, що складається з молекул глюкози, з’єднаних довгими ланцюгами. Зараз промисловість біопалива будує демонстраційні заводи, які використовуватимуть "целюлозні" джерела, такі як стебла кукурудзи, листя та качани, паперові відходи та інший рослинний матеріал для виробництва етанолу.

Але целюлозні процеси складні і дорогі, сказала Кейт. Спочатку рослинний матеріал потрібно розщепити до цукру за допомогою процесу, який називається зацукровуванням. Ферменти, які називаються целюлазами, додаються для перетворення целюлози в коротколанцюгові цукри, які називаються целодекстринами, і вони повинні далі розщеплюватися на молекули глюкози ферментом бета-глюкозидазою. Тільки тоді дріжджі можуть зробити свою магію і перетворити глюкозу в алкоголь.

Однак інші гриби можуть перетравлювати целюлозу, хоча вони не виробляють алкоголю. Один із них, Neurospora crassa, поширений гриб, вподобанням якого є пошкоджені вогнем рослини, вивчався в лабораторії більше 100 років, сказала Кейт.

Минулого року Чаогуан Тян, колишній докторант університету Берклі в лабораторії професора Луїзи Гласс, яка зараз перебуває в Тяньцзіньському інституті промислових біотехнологій в Китаї, та Вільям Т. Бісон, аспірант Хімічного коледжу Берклі, Кейт та інші дослідники UC Berkeley провели загальногеномний аналіз Neurospora crassa для виявлення генів, які включаються, коли гриб росте на целюлозі.

Загальногеномний системний аналіз виявив сімейство генів, які виробляють білки, які транспортують цукру в клітину Neurospora для використання в якості палива. Дослідники підозрювали, що деякі з цих транспортерів дозволять Neurospora імпортувати целодекстрини - зокрема, молекули з двома, трьома та чотирма глюкозою (целобіоза, целотріоза та целотетраоза відповідно). Пошук геномів інших грибів, які ростуть на рослинах, виявив подібні гени у багатьох з них, включаючи чорний трюфель, який є симбіотиком на коренях дерев.

Завдяки попередній роботі, яку фінансували Національні інститути охорони здоров'я, команда легко отримала штам "вибивання" Neurospora, в якому відсутні конкретні гени-транспортери, і підтвердила, що без усіх з них грибок більше не може їсти целодекстрини так швидко.

"Більшість цукровозів пускають по одному цукру за раз", - сказала Галазка. "Транспортери цукру, які ми виявили в" Нейроспорі ", насправді пропускають цілий ланцюг цукрів. Це означає, що чотири цукру можуть потрапляти одночасно в грибок, якщо вони пов'язані між собою.

Згодом Галазка створила шість штамів дріжджів, кожен з одним додатковим геном із сімейства транспортерів Neurospora, разом з геном бета-глюкозидази, також з Neurospora. Штами дріжджів продукували білки-транспортери Neurospora, і два із штамів змогли рости як на целодекстрині, так і на глюкозі. Один штам виробляє на 60 відсотків більше алкоголю, ніж звичайні дріжджі, коли вирощують їх на молекулі з двома глюкозами - целобіозі.

Очевидно, сказала Галазка, хоча звичайні дріжджі не можуть імпортувати целодекстрини або переварити їх, як тільки вони потрапляють всередину клітини, якщо їм дають транспортер Neurospora та бета-глюкозидазу від грибка, який залишається всередині клітин, він може робити і те, і інше.

"Ми ефективно зробили дріжджі більш сумісними з ферментами, що використовуються для розщеплення деревних рослин", - сказав він. "Ми вважаємо, що відкриття цих транспортерів є ключовим кроком на шляху до ефективного перетворення рослинних речовин, які зараз вважаються відходами, у паливо".

"Тепер ми повинні перенести ці гени в промислові дріжджові штами - ситні, кам'яні, шкарпеткові дріжджі, що комерційно використовуються - і змусити їх використовувати більш складний рослинний матеріал", - сказала Кейт.

Він зазначив, що целюлозний процес з використанням дріжджів з білками-транспортерами може уникнути необхідності додавати бета-глюкозидази в камеру бродіння, але ферменти все одно будуть потрібні для розщеплення целюлози на целодекстрини.

Зараз він та його колеги співпрацюють з іншими дослідниками EBI для створення вдосконалених білків-транспортерів та штамів дріжджів.

Стаття Science Express була написана Галазкою, Тіаном, Бісоном та Кейт, а також експертом Neurospora Н. Луїзою Глассом, професором біології рослин та мікробів UC Berkeley та Бруно Мартінесом з Відділу фізичних наук LBNL.