Супердрожжи могут улучшить экономику биотоплива
Ученые из Университета Висконсин-Мэдисон и Центра биоэнергетических исследований Великих озер (GLBRC) нашли способ почти вдвое повысить эффективность, с которой широко используемый промышленный штамм дрожжей превращает растительные сахара в биотопливо. Новые инженерные «супердрожжи» могут улучшить экономику производства этанола, специальных биотоплив и биопродуктов.
Хотя Saccharomyces cerevisiae веками была дрожжами выбора для пекарей и пивоваров, она представляет уникальную проблему для исследователей, использующих ее для производства биотоплива из целлюлозной биомассы, такой как травы, древесина или несъедобные части растений. Этот всемирно известный микроб превосходно превращает глюкозу растения в биотопливо, но в остальном очень разборчив в еде, игнорируя ксилозу растения — пятиуглеродный сахар, который может составлять почти половину всех доступных растительных сахаров.
«Чтобы целлюлозное биотопливо стало экономически целесообразным, микробы должны уметь превращать все сахара растения, включая ксилозу, в топливо», — говорит Трей Сато, ведущий исследователь исследования GLBRC.
В исследовании, опубликованном в журнале PLOS Genetics, Сато и его коллеги описывают выделение специфических генетических мутаций, которые позволяют S. cerevisiae превращать ксилозу в этанол. Это открытие может превратить ксилозу из отходов в источник топлива. Чтобы обнаружить эти мутации, исследователям пришлось распутать миллионы лет эволюции, выясняя, что изначально привело S. cerevisiae к такой избирательности в питании.
Сначала ученые дали дрожжам выбор, подобный выбору между морковью на ужин или голоданием, окружив S. cerevisiae ксилозой, пока она либо не пересмотрела свое отвращение к ней, либо не погибла. Потребовалось 10 месяцев и сотни поколений «направленной эволюции», чтобы создать штамм S. cerevisiae, способный сбраживать ксилозу.
Получив супердрожжи под названием GLBRCY128, исследователям также нужно было понять механизм эволюции, чтобы воспроизвести его. Сравнив геном Y128 с исходным штаммом, ученые обнаружили четыре генные мутации, ответственные за адаптированное поведение. Для проверки они вручную удалили эти мутации из родительского штамма, получив тот же результат.
Эта работа может открыть широкие возможности для будущих исследований в области биотоплива. С опубликованной методикой создания Y128 исследователи могут свободно воспроизводить ее для применения в новых технологиях предварительной обработки биомассы или для разных растительных материалов.
Будущие исследования также могут сосредоточиться на потенциально мощной роли супердрожжей в создании специальных биотоплив и биопродуктов.
«Мы хотим взять этот штамм и производить молекулы более высокого порядка, которые можно будет превращать в реактивное топливо, изобутанол, липиды или дизельное топливо», — говорит Сато. — И если мы знаем, как лучше метаболизировать углерод, включая ксилозу, любой, в теории, сможет перенастроить метаболические пути для производства различных биотопливных продуктов».