Биопроспектинг для поиска лучших ферментов
В нашей лаборатории мы занимаемся биопроспектингом — поиском полезных веществ из природных источников. Наша работа сосредоточена на ферментах — белках, ускоряющих химические реакции. Мы ищем новые и мощные ферменты, способные расщеплять полисахариды — распространённые молекулы, состоящие из длинных цепочек сахаров. Они в изобилии содержатся в фруктах, овощах, хлопковой одежде и древесине.
Ферменты, разлагающие полисахариды, имеют множество применений: от моющих средств, растворяющих пятна, до производства биоразлагаемого пластика из растительных сахаров. Мы ищем новые ферменты для улучшения биотехнологий создания возобновляемого топлива и химикатов.
Учимся у микробов
Растения производят миллиарды тонн полисахаридов ежегодно. Основные из них — целлюлоза, ксилан и пектин. Они придают растениям структуру и защиту.
Когда растения отмирают, эти прочные полисахариды «запирают» сахара в листьях и стеблях. Бактерии и грибы (сапрофиты) разрушают этот опад, чтобы получить питательные вещества. Этот процесс называется сахарификацией. Изучая его, мы понимаем фундаментальные биологические принципы — от процессов в компостных кучах до работы микробов в кишечнике — и находим решения для реальных задач.
Открытие полезных ферментов
Наша исследовательская группа изучает сапрофитную бактерию Cellvibrio japonicus. Она производит почти 200 ферментов, специфичных для деградации полисахаридов, что позволяет ей полностью расщеплять растительную биомассу.
Нас интересует, как бактерия обнаруживает и так эффективно «поедает» разные полисахариды. Ключевые вопросы:
- Зачем C. japonicus нужны сотни ферментов?
- Какую конкретную функцию выполняет каждый фермент?
- Как бактерия интегрирует информацию о среде и регулирует производство этих ферментов?
Изучая физиологию, генетику и биохимию бактерии, мы обнаружили, например, что:
- Деградация небольших растворимых фрагментов целлюлозы (олигосахаридов) контролирует производство многих специфических ферментов.
- Четыре фермента, которые, как считалось, играют одинаковую роль в деградации целлюлозы, не взаимозаменяемы. Они высокоспецифичны, и клетка использует каждый только в определённых контекстах и для конкретных полисахаридов.
В целом, для деградации целлюлозы C. japonicus требуется лишь очень небольшое число из всех производимых ею ферментов. Эти ферменты обладают уникальными свойствами и потенциально очень полезны для промышленности.
Биотехнологические приложения
Одна из основных проблем в изучении взаимодействия бактерий с растительным материалом — измерение скорости роста бактерий при расщеплении биомассы. Растительная биомасса нерастворима в воде, и смесь быстро мутнеет, что мешает измерениям.
Чтобы решить эту проблему, мы использовали 3D-печать для создания фильтрующего устройства, похожего на чайное ситечко. Оно позволяет отделять растительный материал от бактерий в растворе. Устройство загружается листьями и стеблями и помещается в жидкую питательную среду с бактериями. Это позволяет быстро и точно измерять скорость роста бактерий, так как все частицы растений остаются внутри фильтра. В конце эксперимента можно легко извлечь оставшийся материал для анализа.
Фундаментальные исследования — ключ к решению реальных проблем
Нас часто спрашивают, почему мы тратим время на фундаментальные исследования, а не занимаемся исключительно прикладной работой. Ответ в том, что многие важные открытия — от рентгеновских лучей и зелёного флуоресцентного белка до бактериального иммунитета к фагам — начинались как базовые исследования. Со временем они привели к возможности визуализировать переломы, изучать раковые клетки и редактировать геномы организмов.
Мы начинаем видеть реальную пользу от понимания деградации полисахаридов. Продолжая проспектинг новых ферментов, мы ожидаем найти решения многих технических задач, изучая удивительные способы, которыми микробы добывают себе пищу.