211service.com
Vai govis varētu uzlabot biodegvielu?
Pētījums par mikrobiem, kas ļauj govīm sagremot zāli, varētu radīt labākus veidus, kā iegūt celulozes biodegvielu.
Moo-crobes: Zinātnieki ieguva piekļuvi šīs govs spureklim caur atveri, kas bija redzama dzīvnieka kreisajā pusē. Pētnieki izmantoja govju spurekļos ievietotus maisus ar zālāju, lai notvertu mikrobus, kas var raudzēt izturīgo augu.
Biodegviela, kas izgatavota no lauksaimniecības atkritumiem, zāģu skaidām un prēriju zāles, solās būt ekonomiskāka nekā biodegviela, kas iegūta no kukurūzas, cukurniedrēm un citām pārtikas kultūrām.
Pirmais solis celulozes biodegvielā ir izturīgu augu materiālu, kas izgatavoti no celulozes un lignīna, pārvēršana cukuros, kurus pēc tam var fermentēt, lai iegūtu degvielu. Bet tas ir dārgi, un pašlaik celulozes sadalīšanai nepieciešams liels daudzums fermentu. Mēs runājam par kravas automašīnām, saka Frānsisa Arnolda , Caltech ķīmijas inženierijas profesors, kurš nebija iesaistīts govju izpētē. Viņa saka, ka mums ir jāsamazina fermentu izmaksas divas līdz piecas reizes.
Turpretim mikrobi, kas dzīvo liellopu gremošanas trakta daļā, ko sauc par spurekli, miljoniem gadu ir efektīvi pārvērš celulozi cukurā. Pētnieki cer, ka jauna datubāze ar 28 000 gēnu, kas sekvencēti no liellopu gremošanā iesaistītajiem mikrobiem, palīdzēs inženieriem izstrādāt jaunus enzīmus un samazināt celulozes biodegvielas ražošanas izmaksas.
Līdz šim ražotāji ir samazinājuši celulolītisko enzīmu ražošanas izmaksas, galvenokārt mainot apstrādes metodes. Vēl viena pieeja būtu padarīt fermentus, kas darbojas ātrāk vai darbojas dažādos apstākļos, piemēram, ekstremālās temperatūrās, kas varētu veicināt augu vielu sadalīšanos. Lai sāktu samazināt celulozes biodegvielas ražošanas izmaksas, mums ir vajadzīgi jauni fermenti, kas dara vairāk, saka Edijs Rubins , ASV Enerģētikas departamenta Apvienotā genoma institūta direktors. Rubins vadīja govju mikrobu pētījumu.
Problēma ir tāda, ka aptuveni 99,9 procentus no visiem mikrobiem uz zemes, ieskaitot tos, kas atrodas govs spureklī, nevar audzēt kultūrā laboratorijā. Tātad bioprospektoriem, kas meklē dabiskus mikrobu fermentus ar rūpniecisku solījumu, ir bijis ļoti ierobežots materiālu kopums, ar ko strādāt. Par laimi, jaunās gēnu sekvencēšanas tehnoloģijas to maina, ļaujot pētniekiem atklāt mikrobu fermentus, meklējot to gēnus. Bez nepieciešamības audzēt mikrobus laboratorijā, pētnieki var secināt visu ģenētisko materiālu, kas atrodas visā ekosistēmā, un pēc tam pārbaudīt šos datus, lai atrastu interesējošos gēnus. Šāda veida pētījumus sauc par metagenomiku.
Rubīna grupa sāka meklēt labākus celulolītiskos enzīmus, pētot termītus 2007. gadā. Termītu zarnās dzīvojošie mikrobi fermentē rupjo koksnes lopbarību cukuros. Rubins saka, ka termītu problēma bija tā, ka bija grūti iegūt daudz materiāla, ar ko strādāt, jo termītu zarnas ir mazas. Pētījumi neradīja daudzus pilna garuma gēnus, kas nepieciešami darba enzīmu ražošanai.
Govs spureklī var ietilpt vairāk nekā 150 litri sagremojamas barības, sniedzot pētniekiem daudz materiāla, ar ko strādāt. Govis ir īpaši izdevīgi testa subjekti šāda veida pētījumiem cita iemesla dēļ. Lauksaimniecības zinātnieki ir izstrādājuši sistēmu, kā govju spureklī ievietot logu aizsegtu atveri. Burtiski ir iespējams ieskatīties kuņģī caur šo logu, ko sauc par fistulu, un ievietot tajā eksperimentālos paraugus un pēc tam tos izņemt. Sadarbojoties ar Ilinoisas Universitātes pētniekiem, kuriem universitātes pilsētiņā govīm ir uzstādītas fistulas, Apvienotā genoma institūta pētnieki govju kuņģī ievieto maisus ar zāli, ļāva tām nostāvēties 48 stundas un atkal izņēma. Tika pieņemts, ka mikrobi, kas tika atrasti pielipuši zālei, ir iesaistīti tās raudzēšanā.
Pēc tam pētnieki atdalīja mikrobus, sadalīja tos un secināja visu atrasto ģenētisko materiālu. Pētnieki spēja iegūt milzīgu daudzumu datu par gēniem un dažiem genomiem, kas atrasti govs spureklī. Viņi atrada aptuveni 250 miljardus bāzes pāru vērtu gēnu, kas ir aptuveni 10 reizes vairāk, nekā veido cilvēka genoms.
Pēc tam izaicinājums bija interpretēt visus šos datus. Izmantojot Kalifornijas Lawrence Berkeley National Lab augstas veiktspējas skaitļošanas iekārtas, grupa salīdzināja govju mikrobu sekvences ar sekvenču datu bāzi, kas kodē fermentus, kas sadala ogļhidrātus. Tas noveda pie 28 000 gēnu kopuma turpmākai izpētei. Pēc tam pētnieki izmantoja laboratorijas baktērijas, lai izveidotu proteīnus, ko kodē 90 no šiem gēniem, un pārbaudīja to funkcionalitāti. Apmēram puse no tiem spēja sadalīt celulozes materiālus.
Papildus identificētajiem 28 000 gēnu pētniekiem izdevās no jauna salikt vairāku iepriekš neatklātu mikrobu sugu genomus. Lai pārbaudītu šo pētījuma daļu, viņi no spurekļa paraugiem izolēja vienu nekultivējamu baktēriju šūnu un sekvencēja tās genomu. Tas atbilda vienam no tiem, ko viņi bija samontējuši. Šī bioloģiskās realitātes pārbaude padara mūs diezgan pārliecinātus, saka Rubins.
Nav skaidrs, kā jaunā datubāze tiks izmantota. Tā ir enciklopēdija, ko cilvēki var izņemt, saka Rubins.
Iepriekšējie centieni izstrādāt jaunus celulītiskus enzīmus nav devuši lielus rezultātus. Ir divi veidi, kā to izdarīt. Viens no tiem ir mēģināt padarīt fermentus aktīvākus. Vēl viens veids, ko gan Rubins, gan Caltech Arnolds uzskata par daudzsološāku, ir atrast vai izveidot fermentus, kas ir ne tikai aktīvāki, bet arī darbojas ekstremālos apstākļos, kas varētu veicināt izturīgu augu noārdīšanos, piemēram, augstas temperatūras, augstas. -sāls šķīdumi – apstākļi, kas destabilizē mūsdienu fermentus.
Tikmēr pētnieki metagenomisko analīzi izmanto citām mikrobu kopienām, kas fermentē izturīgus augus. Deivids Veiners, fermentu uzņēmuma pētniecības un attīstības vadītājs Verenijs , saka, ka viņa uzņēmuma produktu novērtēšanas procesā jau ir termītu un mikrobu fermenti. Uzņēmums bija iesaistīts iepriekšējos termītu pētījumos, ko veica Apvienotā genoma institūta pētnieki, un ir izstrādājis platformu, lai paātrinātu jaunu enzīmu testēšanu. Vainers stāsta, ka uzņēmums meklē fermentu gēnus arī citos atgremotajos, tostarp zebrās, un paraugos, kas ņemti, piemēram, no sadalīšanās baļķiem. Verenijs pagājušajā rudenī pārdeva daļu no sava celulolītisko enzīmu biznesa uzņēmumam BP.