Термоустойчивые дрожжи могут производить более экологичный этанол

Простая мутация позволяет дрожжам расти при температурах выше обычных. Исследователи из Технологического университета Чалмерса показывают это в статье, которая будет опубликована в научном журнале Science. Результаты могут сделать производство этанола для автомобильного топлива более эффективным, а также увеличить возможность использования отходов в качестве сырья.

Если промышленное культивирование дрожжей не охлаждать, клетки дрожжей погибают от тепла, которое сами же и производят. Сейчас дрожжевые культуры охлаждают до 30 °C — температуры, при которой дрожжи лучше всего выполняют свою работу по производству этанола.

Однако производство биоэтанола могло бы быть дешевле и эффективнее, если бы температуру можно было поддерживать на уровне 40 °C. Это позволило бы значительно сэкономить на расходах на охлаждение и снизить риск роста бактерий. Кроме того, сырьё (например, крахмал) необходимо расщеплять на сахара, пригодные для дрожжей, и этот процесс лучше всего работает при высоких температурах.

Исследователи из Технологического университета Чалмерса выяснили, что делает дрожжи термоустойчивыми.

«Оказывается, достаточно простой мутации, — говорит профессор системной биологии и руководитель исследовательской группы Йенс Нильсен. — В клеточной мембране дрожжей есть молекула эргостерола вместо холестерина, который есть у людей. Мутация заменяет эргостерол на более изогнутую молекулу под названием фекостерол. Это оказывает несколько различных эффектов на клетки, что позволяет дрожжам расти при 40 °C».

Исследователи не модифицировали дрожжи генетически, а использовали адаптивную лабораторную эволюцию. Этот метод позволяет получать новые признаки, не зная, какие именно мутации для этого требуются.

Три дрожжевые культуры подвергли воздействию температуры около 40 °C. Чуть более чем через три месяца, когда сменилось более 300 поколений, дрожжи во всех трёх культурах внезапно начали эффективно расти. Учёные проанализировали генетическую структуру и метаболизм трёх штаммов дрожжей из каждой культуры. Они пришли к выводу, что, хотя в штаммах произошло несколько различных мутаций, у всех была мутация, приводящая к синтезу фекостерола.

«Поскольку эта мутация произошла в трёх независимых культурах, она, по-видимому, является наиболее важным фактором в приобретении дрожжами термоустойчивости, — говорит Йенс Нильсен. — Это показывает, насколько быстро эволюция может изменить организм. Интересно, что структура фекостерола такая же, как у стеролоподобных молекул, которые защищают некоторые бактерии и растения от высоких температур».

Важной характеристикой полученных штаммов дрожжей является их стабильность — они передают свою термоустойчивость будущим поколениям.

Эта характеристика, а также тот факт, что исследователи теперь точно знают причину термоустойчивости дрожжей, могут оказать большое влияние на мировое производство биоэтанола. Это касается как текущего производства на основе сахарной свёклы или кукурузы, так и будущего. Сейчас с использованием дрожжей производится этанол на сумму более 100 млрд долларов в год. Даже незначительное улучшение процесса может сэкономить миллиарды долларов ежегодно.

Результаты также важны для будущего производства, оптимального с климатической точки зрения: производства, в котором сырьём являются отходы сельского и лесного хозяйства.

«Я считаю, что наши результаты имеют огромный потенциал для такого развития, — говорит Йенс Нильсен. — Чтобы использовать подобные отходы, необходимо расщепить лигноцеллюлозу, что сложно. Ферменты, необходимые для разложения, лучше всего работают при высоких температурах».

«В долгосрочной перспективе наши результаты также могут увеличить возможность использования дрожжей для производства более совершенного биотоплива, больше похожего на топливо на основе нефти».