Исследование раскрывает белковые механизмы переваривания целлюлозы у бактерии
Целлюлоза — прочный биополимер из сложных цепочек глюкозы — составляет основу клеточных стенок растений. Учёные надеются, что этот самый распространённый на Земле полисахарид, богатый солнечной энергией, станет дешёвым сырьём для экологически чистых биотоплив.
Специалисты из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) и Университета Висконсин-Мэдисон исследовали бактерию Fibrobacter succinogenes S85, обитающую в рубце коров. Большинство анаэробных микроорганизмов расщепляют целлюлогу с помощью целлюлосом — мультиферментных комплексов. Однако новое исследование показывает, что F. succinogenes S85 использует иной механизм.
Учёные выясняли, где расположена основная масса целлюлозоразрушающих ферментов бактерии: во внешней среде, в её наружной мембране или периплазме. Был сделан вывод, что деградация целлюлозы происходит вне клетки, а не внутри.
«Мы считаем, что более крупная структура целлюлозы разрушается во внешней среде клетки», — заявила Меган К. Бёрнетт.
Именно там исследователи обнаружили большинство CAZymes (carbohydrate active enzymes), включая целлюлозоразрушающие ферменты. Ферменты, расщепляющие более мелкие субъединицы целлюлозы — целлодекстрины, — были найдены в периплазме.
«Интересно, что наши данные свидетельствуют, что деградация целлюлозы F. succinogenes включает использование как фибро-слизевых (fibro-slime), так и пилин-подобных белков», — добавила Бёрнетт.
Фибро-слизевые белки, входящие в протеом Fibrobacter, присутствуют в высокой концентрации при деградации целлюлозы и, вероятно, участвуют в адгезии клетки к субстрату.
Расщепление сложных молекул целлюлозы на простые необходимо для преобразования её потенциальной энергии в жидкое высокооктановое топливо. Новое исследование приблизило понимание белковых механизмов деградации целлюлозы у F. succinogenes S85, что в перспективе может оптимизировать ферментативное преобразование целлюлозы в биотопливо.
Было выдвинуто предположение, что основная деградация целлюлозы происходит в небольшом пространстве между субстратом и наружной мембраной бактерии, а фибро-слизевые белки играют ключевую роль в создании этого пространства.
«Эта работа продвигает нас на шаг вперёд в понимании процесса», — отметила Бёрнетт.
Методы исследования:
- Секвенирование РНК F. succinogenes S85, выращенной на целлюлозе и глюкозе (Университет Висконсин-Мэдисон), показало повышенную экспрессию генов фибро-слизевых и пилин-подобных белков на целлюлозе.
- Субклеточное фракционирование бактерии (лаборатория EMSL в PNNL) с последующей масс-спектрометрией выявило наибольшее количество уникальных ферментов во внеклеточной среде.
В планах учёных — нокаутировать гены обнаруженных белков, чтобы оценить их влияние на деградацию целлюлозы и подтвердить их роль в этом процессе.