低成本的第二代乙醇生产由转基因酶鸡尾酒提供动力

Trichoderma Reesei.

Trichoderma Reesei真菌RUT-C30菌株,其设计为产生高产酶。信用:LNBR-CNPEM

巴西研究人员使用基因工程来开发低成本平台,用于生产破坏甘蔗垃圾和甘蔗渣进行转换成生物燃料的酶。新型分子具有许多潜在的工业应用。

巴西能源和材料研究中心(CNPEM)的研究人员遗传设计了一种真菌来生产酶的鸡尾酒,这些酶可以分解生物质的碳水化合物,例如甘蔗垃圾(上衣)和甘蔗渣,进入工业上可发酵的糖高效转换为生物燃料。

低成本酶鸡尾酒的发展是生产第二代乙醇的主要挑战之一。

第二代生物燃料由各种非食用生物量制成,包括农业残留物,木屑和垃圾烹饪油。CNPEM研究组的过程铺平了优化使用甘蔗残留物以生产生物燃料的方法。

真菌Trichoderma Reesei.是植物细胞壁降解酶最多增长的生产者之一,广泛应用于生物技术行业。为了提高其作为酶鸡尾酒的生物关注的生产力,研究人员将六种遗传修饰引入RUT-C30,是无菌的公共菌株。他们专利了该过程,并在杂志上发表的文章中报道了它生物燃料生物技术

“真菌被理性地修饰,以最大化这些生物技术利益的这些酶的产生。使用CRISPR / CAS9基因编辑技术,我们改性转录因子来调节与酶相关的基因的表达,缺失的蛋白酶导致酶鸡尾酒的稳定性,并添加了重要的酶本质上缺乏酶。因此,我们能够让真菌产生来自农业工业废物,这是巴西的廉价和丰富的原料,“CNPEM的生物安全性实验室(LNBR)科学主任Mario T.Murakami,告诉Agênciafapesp。

根据国家粮食供应公司(Conab),每年收获约有6.33万吨的甘蔗在巴西处理了7000万吨甘蔗垃圾(干块)。该废物未充分利用燃料乙醇生产。

Murakami强调,实际上,巴西用于分解生物质的所有酶都是从少数外国生产商进口,以保持该技术在交易秘密保护下。在这种情况下,进口酶鸡尾酒可以代表生物燃料生产成本的50%。

“根据传统范式,需要数十年的研究来开发竞争性酶鸡尾酒生产平台,”他说。“Moreover, the cocktails couldn’t be obtained solely by synthetic biology techniques from publicly available strains because the producers used different methods to develop them, such as adaptive evolution, exposing the fungus to chemical reagents, and inducing genomic mutations in order to select the most interesting phenotype. Now, however, thanks to advanced gene editing tools such as CRISPR/Cas9, we’ve succeeded in establishing a competitive platform with just a few rational modifications in two and a half years.”

由CNPEM研究人员开发的生物过程每升生产80克酶,这是迄今为止的最高实验支持的滴度报告T. Reesei.从低成本的糖基原料。这在真菌的科学文献中报告的浓度是多次的(每升37克)。

“这项研究的一个有趣的方面是它并不局限于实验室,”穆拉克马说。“我们在半工业生产环境中测试了生物过程,将其扩展为试点工厂以评估其经济可行性。”

虽然该平台用于从甘蔗残留的纤维素乙醇的生产中定制,但他补充说,它可以分解其他类型的生物质,先进的糖可用于生产塑料和中间化学品等其他生物能源。

新型酶类

该过程是LNBR进行的宽测距研究的实际结果(就工业应用),以开发能够破坏碳水化合物的酶。在FAPESP和发布的另一项研究中自然化学生物学yabo124,研究人员揭示了七种新的酶类,其全部存在于真菌和细菌中。

新型酶属于糖苷水解酶(GH)家族。根据Murakami的说法,这些酶对不仅在生物燃料领域而且在医学,食品加工和纺织品中具有显着潜力。酶将通过利用自然分解多糖(由许多简单糖组成的碳水化合物)的不同方式激发新的工业过程。

这些酶分解了β-葡聚糖,一些谷物,细菌和真菌细胞壁中发现的一些最丰富的多糖,以及世界上大部分的世界可用生物量,表明酶在食品防腐剂和纺织品中使用。在生物燃料的情况下,关键特性是它们对富含植物纤维的富含材料的能力。

“我们列出了研究大自然在降解多糖方面的多样性以及如何将知识应用于不同行业的过程中,”Murakami说。“除了新型酶的发现之外,该研究的另一个重要方面是我们用于生产对该酶家族的系统和深刻知识的相似性网络方法。该方法使我们能够从头开始,并且在相对较短的时间内到达最多研究的酶家庭,迄今为止,有关特殊性和行动机制的信息。“

分类酶的主要标准通常是系统发育,即分子的进化史,而CNPEM研究人员专注于功能。

“归功于进步脱氧核糖核酸测序技术,我们现在具有许多已知的遗传序列和既有熟悉的能力,以便在其功能方面研究和表征分子和酶。结果,我们已经能够改进相似性网络方法,并首次使用它来研究活性多糖的酶,“Murakami说。

使用相似性网络方法,该组基于功能分类酶的七个亚颗粒。特征在于每个亚家族的至少一个成员,在系统术语中获得的研究人员,分子策略降解β-葡聚糖的分子策略的多样性含有成千上万的酶。

生物化学旅游力

系统发育分析侧重于随着时间的推移被保守的DNA区域,而通过功能分类是基于与功能分化相关的非接种区域。“这给了我们效率,使我们能够将超过1,000个序列分为七个子组或具有相同功能的阶段,”Murakami说。

由于该方法是新颖的,研究人员进行了几项其他研究以仔细检查并验证分类方法。从能够降解多糖的七组酶,它们得到了24个完全新颖的结构,包括各种底物酶配合物,认为对于提供信息以帮助理解所涉及的动作机制至关重要。

该研究包括功能性和结构分析,以了解这些酶如何对有关的碳水化合物作用。“多糖有几十种配置,能够有多种化学键,”Murakami说。“我们希望究竟观察每个酶识别哪种化学键和架构。因此,它必须是多学科研究,组合通过使用质谱,光谱,诱变和衍射实验来分析的结构和功能数据来阐明原子结构。“

在同一问题的“新闻和观点”部分自然化学生物学yabo124,保罗沃尔顿教授,生物有机化学椅子yabovip2021约克大学在英国,糖苷水解酶研究了“生化”旅游力“为其创新的方法,并称赞其”巨大见解“,并提出了研究人员”能够表达和隔离每个班级的示范“[]检查类别之间的序列差异是否反映在其结构和活动中。“

参考:

“Structural insights into β-1,3-glucan cleavage by a glycoside hydrolase family” by Camila R. Santos, Pedro A. C. R. Costa, Plínio S. Vieira, Sinkler E. T. Gonzalez, Thamy L. R. Correa, Evandro A. Lima, Fernanda Mandelli, Renan A. S. Pirolla, Mariane N. Domingues, Lucelia Cabral, Marcele P. Martins, Rosa L. Cordeiro, Atílio T. Junior, Beatriz P. Souza, Érica T. Prates, Fabio C. Gozzo, Gabriela F. Persinoti, Munir S. Skaf and Mario T. Murakami, 25 May 2020,自然化学生物学yabo124
DOI:10.1038 / S41589-020-0554-5

Paul H. Walton 17六月十七日,“酶关节为工作”,自然化学生物学yabo124
DOI:10.1038 / s41589-020-0585-y

“合理的工程Trichoderma Reesei.Rut-C30在Lucas Miranda Fonseca,Lucas Salera Parreiras和Mario Tyago Murakami,2020年5月22日,Rut-C30菌株陷入纤维素酶生产平台“生物燃料生物技术
DOI:10.1186 / S13068-020-01732-W

1条评论“低成本二代乙醇生产,由转基因酶鸡尾酒提供动力”

  1. 在美国路易斯安那州,我们还从加工甘蔗中拥有相当多的甘蔗渣,我想与现在或将使用此过程的公司接触。

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