Учёные нашли способ защитить дрожжи от повреждения при производстве биотоплива
Некоторые химикаты, используемые для ускорения расщепления растений при производстве биотоплива, такого как этанол, токсичны для дрожжей, которые превращают растительные сахара в топливо.
Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон и нескольких лабораторий Министерства энергетики США определили два изменения в одном гене, которые могут повысить устойчивость дрожжей к химикатам предварительной обработки. Результаты опубликованы в журнале Genetics.
Даже на современных заводах превращение растительного материала (травы, остатки кукурузных стеблей) в биотопливо часто имитирует естественное разложение. Растительные клетки разрушаются физически, химически и с помощью микробов.
«Но процесс разложения растительного материала очень медленный. Павшему дереву требуются годы, чтобы полностью разложиться», — говорит Трей Сато, старший научный сотрудник Исследовательского центра биоэнергетики Великих озёр. «Это время несовместимо с промышленными условиями, где цель — производить как можно больше продукта как можно быстрее».
Поэтому производители ускоряют процесс, в том числе с помощью предварительной обработки сырой биомассы. Она может включать применение аммиака, кислот, тепла и давления, солей, называемых ионными жидкостями, или их комбинации.
После предварительной обработки целлюлоза расщепляется ферментами до сахаров, которые затем сбраживаются в топливо микробами — часто специально выведенными и модифицированными штаммами дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
«Эти ионные жидкости полезны для предварительной обработки. Проблема в том, что даже после попыток удалить их из биомассы перед ферментацией, оставшееся количество достаточно для токсичного воздействия на многие микробы».
Эта токсичность может снизить эффективность дрожжей по превращению сахара в биотопливо до 70%, что губительно для промышленного процесса.
Учёные искали способ преодолеть это препятствие. Вместо поиска нового микроорганизма они изучили 136 изолятов S. cerevisiae из разных экологических ниш. Один штамм показал выдающуюся устойчивость к ионным жидкостям.
Анализ ДНК выявил пару ключевых генов для выживания. Один из них, SGE1, кодирует белок, который встраивается в клеточную мембрану и работает как насос для вывода токсинов.
«Если у вас больше этих насосов на поверхности клетки, вы можете вывести больше молекул ионной жидкости из клетки», — объясняет Сато.
Изменение всего двух нуклеотидов из более чем 12 миллионов в геноме дрожжей достаточно для увеличения производства этих клеточных насосов. Исследователи использовали инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы внести эти два однонуклеотидных изменения в чувствительный к ионным жидкостям штамм дрожжей. В результате был получен штамм, способный выживать и сбраживать в присутствии обычно токсичных количеств ионной жидкости.
«Теперь любой, кто использует эти дрожжи, может посмотреть на конкретный ген в своём штамме и определить, совместим ли он с процессом с использованием ионных жидкостей», — говорит Сато. «Это простая инженерная процедура, которая не занимает много времени и недорога. Её можно выполнить с помощью CRISPR за неделю или две».
Следующим шагом станет испытание модифицированных дрожжей вне лаборатории на реальном растительном сырье для биотоплива.