Исследователи расширили сахарную диету дрожжей, включив растительные волокна
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли внедрили гены из грибов, питающихся травой, в дрожжи. Созданные штаммы способны производить спирт из целлюлозы — прочного растительного материала, который обычные дрожжи переварить не могут.
Это достижение может стать прорывом для индустрии биотоплива, которая пытается сделать экономически выгодным производство целлюлозного этанола (из растительных волокон, а не только из кукурузного крахмала или сахара).
«Добавив эти гены в дрожжи, мы создали штаммы, которые растут на растительном материале лучше, чем дикие дрожжи, питающиеся только глюкозой или сахарозой», — говорит Джейми Кейт, доцент молекулярной и клеточной биологии.
Исследователи надеются вставить те же грибные гены в промышленные дрожжи, используемые для превращения сахара в этанол, чтобы повысить эффективность процесса ферментации.
«Использование этих транспортеров целлодекстринов не ограничивается дрожжами, производящими этанол. Их можно использовать в любых дрожжах, сконструированных для производства, например, других спиртов или заменителей реактивного топлива», — отмечает Кейт.
Кейт и его коллеги сообщают об успехе в журнале Science Express. Работа финансируется Институтом энергетической биологии (EBI).
Проблема целлюлозы
Сейчас индустрия биотоплива использует пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae для ферментации простых углеводов в этанол. Однако растения содержат сахарные полимеры, которые дрожжи не могут усвоить, в частности целлюлозу. Это прочная молекула, состоящая из длинных цепочек молекул глюкозы.
Существующие процессы переработки целлюлозы сложны и дороги:
- Растительный материал сначала расщепляется на сахара (сахарификация).
- Ферменты целлюлазы превращают целлюлозу в короткоцепочечные сахара — целлодекстрины.
- Фермент бета-глюкозидаза расщепляет целлодекстрины на молекулы глюкозы.
- Только затем дрожжи превращают глюкозу в спирт.
Грибное решение
Другие грибы, например Neurospora crassa, могут переваривать целлюлозу (но не производят спирт). Геномный анализ этого гриба выявил семейство генов, кодирующих белки-транспортеры для импорта сахаров в клетку.
«Большинство сахарных транспортеров пропускают по одной молекуле сахара за раз. Транспортеры, которые мы нашли в Neurospora, фактически пропускают целую цепочку сахаров. Это значит, что четыре связанных вместе сахара могут попасть в гриб одновременно», — объясняет первый автор работы Джонатан М. Галазка.
Исследователи создали шесть штаммов дрожжей, каждый с дополнительным геном из семейства транспортеров Neurospora и геном бета-глюкозидазы из того же гриба. Два штамма смогли расти на целлодекстрине так же хорошо, как и на глюкозе. Один штамм производил на 60% больше спирта, чем обычные дрожжи, при выращивании на целлобиозе (двухмолекулярном целлодекстрине).
Перспективы
«Мы сделали дрожжи более совместимыми с ферментами, используемыми для расщепления древесных растений. Мы считаем, что открытие этих транспортеров — ключевой шаг к эффективному превращению растительных отходов в топливо», — говорит Галазка.
Процесс с использованием дрожжей, имеющих белки-транспортеры, может позволить избежать добавления бета-глюкозидазы в ферментационную камеру, но ферменты для расщепления целлюлозы на целлодекстрины всё ещё будут нужны.
Следующая цель — внедрить эти гены в выносливые промышленные штаммы дрожжей и заставить их использовать более сложное растительное сырьё.