Бактерия из щелочного источника может улучшить переработку биотоплива
(Phys.org) — Практически пригодное биотопливо можно производить из обильного сырья, такого как просо прутьевидное, пшеничная солома и другие древесные растения, чьи клеточные стенки состоят из лигноцеллюлозы. После предварительной обработки для удаления или уменьшения содержания лигнина оставшиеся сахаристые целлюлоза и гемицеллюлоза сбраживаются микроорганизмами с получением биотоплива.
Каждый дополнительный этап процесса увеличивает стоимость. Профессор биологии Университета штата Сонома Майкл Коэн обнаружил бактерии, которые, возможно, смогут объединить два важных этапа в один, повысив эффективность и снизив стоимость переработки.
Уникальный штамм бактерий, способный одновременно переносить высокую щелочность и разлагать целлюлозу, был найден в изолированной местности Калифорнии под названием The Cedars. Вода в местных травертиновых источниках, образованных карбонатом кальция из размываемой серпентиновой породы, достигает рекордного уровня pH 11.9 (для сравнения, pH чистой воды равен 7).
Коэн взял пробы разлагающегося растительного материала и сообщества микроорганизмов в источниках. Это был случай, когда природа имитировала промышленный процесс: вымачивание древесного материала в растворе с высоким pH и разложение целлюлозы микроорганизмами. Задачей было определить и выделить, какие именно микроорганизмы являются деструкторами целлюлозы.
Из природы в лабораторию
В рамках программы Министерства энергетики США (DOE) для приглашенных преподавателей в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Коэн сотрудничал с экспертами-микробиологами.
На образцах измельченного проса прутьевидного он культивировал сообщества микроорганизмов (бактерий и грибов) из разлагающихся растений в щелочной воде источников The Cedars. Используя синхротронную инфракрасную спектромикроскопию, исследователи смогли выделить 8-9 активных деструкторов целлюлозы. Один из них выделялся.
Это был штамм бактерий Cellulomonas FA1 — единственный штамм, извлеченный в условиях с дефицитом кислорода. Штамм FA1 мог быть как аэробным (развиваться на воздухе), так и анаэробным (жить без воздуха) в зависимости от среды. Кислород не был для него ядом.
Реакция FA1 на высокощелочные условия была схожей. Cellulomonas FA1 не является экстремофилом — она не любит высокий pH и предпочла бы более нейтральную среду, но обладает высокой щелочеустойчивостью.
Несмотря на перспективность, Cellulomonas FA1 оставляет много возможностей для улучшения. В отличие от дрожжей, бактерии имеют множество путей ферментации, поэтому FA1, вероятно, не может производить много этанола — одного из основных видов биотоплива. Из видов Cellulomonas, способных выделять этанол, большинство погибает, если концентрация этанола превышает 1%. Лишь немногие могут переносить до 12%.
Превращение организма с замечательными свойствами — способностью выдерживать экстремальные щелочные условия и полное отсутствие кислорода при разложении целлюлозной биомассы — в эффективного производителя биотоплива является задачей для метаболического инженера.
Фактически, это "Вызов на миллиард тонн", описанный в стратегических анализах ресурсов сельского и лесного хозяйства США DOE, направленных на обеспечение миллиарда тонн устойчивой биомассы ежегодно с целью сокращения потребления нефти страной на 30%.
"Этот вызов выходит за рамки наших возможностей в Университете штата Сонома, но его можно реализовать в Berkeley Lab, — говорит Коэн. — Cellulomonas FA1 — лучший стартовый организм, о котором я могу думать".