寻找从纤维素生物质中制造生物燃料的更好方法

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在这张图片中,麻省理工学院的研究人员从马的粪便中分离出来的厌氧真菌在麦秸上生长。这些真菌呈黑色椭圆形,钻入吸管中——这是消化系统厌氧真菌的典型行为。因为这种肠道真菌往往与固体有关,所以在分析液体肠道样本时不会发现它们。因此,它们的存在及其对肠道纤维素降解的作用通常被严重低估。

为了在酵母中复制厌氧真菌破坏纤维素的能力,并创造一种潜在的经济有效的单一生物工艺来制造纤维素生物燃料,麻省理工学院生物学家和基因测序专家开发了一种新的分析方法,可以确定肠道真菌中哪些酶在植物消化中起关键作用,以及这些酶是如何合成和组装的。

麻省理工学院的研究人员正在对酵母进行基因工程改造,使其将顽固的植物纤维分解为糖,然后再进行发酵——这是朝着生产纤维素生物燃料的潜在成本低的单一有机体过程迈出的第一步。遗传物质的来源:来自只吃干草的马消化系统的厌氧真菌。通过与麻省理工学院的基因测序专家合作,研究人员开发了一种新的分析方法,使他们能够确定肠道真菌中哪些酶在植物消化中起关键作用,以及这些酶是如何制造和组装的这些信息将帮助他们在酵母中复制真菌破坏纤维素的能力。他们的方法可以揭示新型酶,它们是一流的纤维素降解剂,但只能在实验室无法培养的未知生物体中自然存在。

一个有前景的可再生燃料来源是来自农业残留物、草和其他专用能源作物的生物质。有办法将这些纤维素生物质转化为可替代石油的高能量燃料,特别是在运输系统中。一般来说,这些方法使用酶和化学物质将植物生物量分解成糖,如葡萄糖,然后微生物将葡萄糖发酵,生成乙醇、丁醇和其他最终产品。但是,这种方法在经济上是不可行的,以广泛使用,主要是由于与酶的生产和活性相关的费用,以及将纤维素加工分离成如此多的步骤相关的成本。麻省理工学院的教务长兼MacVicar生物学教授克里斯·凯泽认为,更好的方法是通过基因工程设计出一种单一的有机体,既yabo124能分解纤维素,又能使产品发酵——他认为最适合这项工作的有机体是酵母。Kaiser说:“我们已经知道如何通过基因改造酵母来控制其代谢途径,而且我们在使用酵母进行工业规模发酵方面有着丰富的经验。”实现他的想法所需要的步骤是已知的:选择一种自然消化纤维素的生物,确定这个过程中涉及的关键酶,确定哪些基因表达这些酶,回收这些基因,并将它们插入酵母中。这种工程酵母可以很容易地投入到工业过程中,并扩大规模用于生物燃料生产。

Kaiser的实验室的研究人员知道酵母:他们将其作为研究许多基本蜂窝流程的模型生物体。但基因工程酵母处理纤维素生物量是一种新的概念和新的方向。Kaiser说,这个想法“被麻省理工学院能源倡议种子资金引发,并已成为更广泛的麻省理工学院的研究努力和一种新的思考方式,即寻找用于制造生物燃料的改善的生物和酶。”

寻找酶

第一个任务是找到在酵母中发挥良好作用的纤维素降解酶,或称“纤维素分解酶”。大型食草动物如牛和马的消化道是观察的好地方。这些动物消耗大量的草和干草,而它们的部分消化道含有细菌、真菌和原生动物的混合物,最适合消化这些困难的物质。

在瘤胃或后肠中寻找纤维素酶的想法并不是新的,但通常重点是细菌 - 工业微生物学世界的主力。yabo124然而,来自细菌的基因通常不会在酵母中有效地表达酶。来自真菌的基因会更好地工作,但对大型哺乳动物草食动物的真菌来说,相对较少。广泛认可的观点是它们在大型食草动物的消化道中存在于非常低的浓度,因此它们不能成为纤维素消化中的关键球员。此外,它们非常难以在实验室中孤立和培养,因为它们需要仔细控制的生长条件,包括没有氧气。将此“昂贵的Anaerobe”暴露给氧气,它死亡。结果:Anaerobic真菌在很大程度上被忽略了。

Kaiser和他的同事米歇尔·奥马利,USDA-Nifa Postdoctoral Sintocoloctoral Somicolocters和现在是加州yabo124大学圣巴巴拉大学的化学工程助理教授,认为这些真菌不应如此容易地解雇。一方面,检测低浓度的肠道真菌试验液体样品的分析。“但是厌氧真菌,我们感兴趣的几乎总是发现洞穴进入他们消化的纤维素纤维,”O'Malley说。实际上,包括液体和固体级分的分析表明,真菌可以高达20%的微生物群。

此外,这些真菌被认为是已知的“木质纤维素”物质的最有效和最健壮的消化者之一也就是说,不仅是纤维素,还有与它一起出现的其他物质,特别是半纤维素和木质素,植物细胞壁中的聚合物,它们非常坚韧,可以阻止纤维素本身的接触,进一步复杂化它的分解。在厌氧真菌中,关键酶的活性是由菌丝体的活动辅助的,分枝,丝状的细丝可以穿透植物材料,并机械地打破它。虽然真菌可能不是消化道的主要微生物种群,但它们显然在降解肠道纤维素方面发挥了主要作用。

鉴于Anaerobic真菌的显着能力及其与酵母的潜在兼容性,Kaiser和O'Malley决定他们应该学会与他们一起工作。In winter 2011, O’Malley spent five weeks at a laboratory in the United Kingdom studying with Professor Michael Theodorou, now of Durham University and the Center for Process Innovation, UK — one of a “handful of people in the world” who could teach her the skills and techniques needed to isolate, classify, and culture these challenging organisms.

迈出第一步,迎接新的挑战

起初,麻省理工学院的研究小组的目标只是确定真菌的基因是否会在酵母中表达纤维素分解酶。在筛选过程中,O’malley将已知的瘤胃真菌(Piromyces)的纤维素分解基因插入到酵母中,在酵母中,它们在高水平上生长并表达感兴趣的酶。然而,一些表达酶对纤维素没有反应,很难确定为什么没有反应。O 'Malley和Kaiser同意他们需要更好地了解纤维素酶是如何在它们的原生环境中产生和运作的——也就是在旋菌内部。

事实上,为了得到最好的结果,他们需要详细了解这个过程。至少需要三种酶才能将纤维素聚合物切成更短的段。如果这些酶与纤维素物质发生随机碰撞,这个过程将是非常低效的。为了加快速度,在数百万年的时间里,肠道细菌和真菌学会了在一种叫做支架蛋白的支持分子上组装一组产生酶的基因。Kaiser把这个整体结构——纤维素体——比作一个工作台,在这个工作台上基因被捆绑和间隔,这样表达的酶就可以协同降解纤维素纤维的所有成分。

理想情况下,研究人员将复制这些真菌纤维素的组装和操作在酵母内。但首先,他们需要定义染发剂中完全纤维素的组合物和结构 - 在真菌的纯样品中最能完成的任务。

为了准备这样的样本,奥马利在马萨诸塞州康科德的Verrill Farm马厩收集了一匹名叫芬恩的马的粪便。芬恩只吃草和干草,所以他的消化系统很适合破坏纤维素,他的粪便中有很多纤维素降解微生物。开始时,O’malley在草上放了一些样本,并添加了抗生素,以抑制细菌和消耗细菌的原生动物的生长。然后,她从混合物中取出一小块样品,在纤维素基质的存在下培养。在两个多月的时间里多次进行这一过程,得到了一种“分离物”——一种似乎是旋菌属新物种的单一类型的真菌,此前从未被鉴定或命名过。

为了在新物种中寻找纤维素分解酶和纤维素小体,研究人员正在利用一种被称为分解代谢调节的自然过程。一般来说,如果生物有更容易消化的东西,比如葡萄糖,它们就不会消耗能量去生产酶来消化像纤维素这样的困难物质。“所以我们可以让生物体告诉我们什么是它最有价值的酶来分解纤维素,”O 'Malley说。因此,她正在葡萄糖培养基上种植一些真菌,这种培养基可以关闭破坏纤维素所需的基因。其他的样品只得到纤维素,而纤维素应该能激活所有这些基因,使其达到最大表达。O 'Malley说,培养的结果将给她提供一个“合乎逻辑的、集中的方法来寻找真正的酶和纤维素体,这些酶和纤维素体对生物体降解纤维素很重要”——可能包括一些与目前已知的完全不同的新酶和纤维素体。

从纤维素生物质中制造生物燃料

这些曲线显示了厌氧肠道真菌在各种基质上的生长速度。(生长中的真菌产生气体副产品,增加封闭试管内的压力。因此,累积压力是增长速度的一个指标。)正如预期的那样,容易消化的葡萄糖生长最快,木糖生长最慢,木糖是坚硬植物细胞壁中发现的半纤维素前体。对这些培养物的分析将帮助麻省理工学院的研究人员确定哪些酶被开启以消化特定的底物,包括存在于纤维素生物质中的顽固物质。

基因分析

下一步——现在正在进行中——是确定重要的基因和基因组,以及它们发生在什么地方DNA的有机体。凯泽说,好消息是,他在附近有麻省理工学院的同事,他们是完成这些任务的世界顶尖专家。麻省理工学院生物微中心的研究人员正在对O 'Malley的样本,特别是信使号的样本,进行下一代基因组测序RNA.(mRNA),它们是负责制备酶的DNA部分的副本。然而,遗传读数将代表mRNA的孤立片段,而不是完整基因,因此另一个任务是弄清楚哪个片段属于哪个片段。在广泛的麻省理工学院和哈佛大学研究所,生物学副教授的Aviv Regev,她的团队已经开发出新的“装配算法”,其非常适合执行该重建。yabo124“一起服用,这些方法将给我们一个简洁的库存,因为mRNA只拷及制作酶所需的DNA部分,”凯撒说。“当前副本的数量告诉你一些关于表达水平的东西。应该有很多,在纤维素上生长的样品中的纤维素分解基因的mRNA的许多副本比生长在葡萄糖上的样品中。这是一种非常强大的方法。“

另一种要用到的技术是聚类分析。通过编程,计算机可以检查基因研究中的数百万数据点,并寻找表达水平的相关性。在不考虑其他因素的情况下,它只是将在同一水平上表达的基因进行分组——表明这些基因受到有机体的“共同调节”,因此可能在某种程度上共同发挥作用。基于这一假设,一组包括已知的纤维素分解基因也可能包括未知的基因,其中可能包括纤维素体的一些成分。

当O 'Malley在研究单一纯真菌的基因时,Kaiser实验室的其他人正在使用类似的方法来量化特定基因家族在擅长消化纤维素的复杂混合物中的表达。在那里,他们可以提取出感兴趣的新基因序列,将它们插入酵母中,并检查由此产生的酶活性——一种发现有前途的新基因的方法,而不必鉴定或培养它们的母体。

“这种方法的美妙之处在于,我们可以从我们不能在实验室培育的生物体中找到分解纤维素的基因,”Kaiser说。“这是微生物学中令人兴奋的新领域之一。yabo124这是一种规避传统方法局限性的方法,在传统方法中,你只能研究你能培养的东西,而那只是一小部分的生物。”总的来说,麻省理工学院的新活动应该扩大已知的生物和酶的名单,这些生物和酶可以将植物物质降解成可发酵的产品——无论是在马的消化系统中,在池塘底的淤泥中,还是在生物燃料制造工厂中。

这项研究最初由MIT能源倡议的种子授权支持。博士后米歇尔·奥马利随后由Whiting基金会奖学金和美国农业部 - 国家粮食和农业研究所博士后团契支持。来自生物学家公司的旅行奖学金支持达勒姆大学迈克尔Theodorou教授的工作,以及英国的流程创新中心。

M. O 'Malley, M. Theodorou和C. Kaiser。”评价酵母中原始的Piromyces sp E2厌氧真菌纤维溶解酶的表达和催化活性《环境进步与可持续能源》,第31卷,第1期。1、第37 - 46页,2012年4月。

图片:麻省理工学院新闻办公室

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1评论关于“寻找从纤维素生物质中制造生物燃料的更好方法”

  1. 我希望你能记住,让酵母消化纤维素可能会产生一种讨厌的新植物病原体,或者更糟糕的是,一种能够生活在土壤中并产生乙醇的有机体,对植物根或它们的共生伙伴是致命的。

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