Исследование генетических механизмов для улучшения производства этанола второго поколения
Производство этанола второго поколения (2G) из сахарного тростника требует ферментативного гидролиза, при котором ферменты микроорганизмов расщепляют углеводы соломы и жмыха тростника на сахара, пригодные для ферментации.
Понимание генетических механизмов, регулирующих контроль и производство гидролитических ферментов микроорганизмами, считается ключевым для улучшения технологии этого процесса.
Группа исследователей из Университета Кампинаса (UNICAMP) в Бразилии и их коллеги получили важные знания о биологических механизмах контроля и производства гидролитических ферментов грибами.
Исследование, проведенное в рамках проекта при поддержке Фонда исследований Сан-Паулу (FAPESP), опубликовано в Scientific Reports. «Наши открытия могут способствовать разработке ферментов для включения в ферментные коктейли, используемые для производства 2G-этанола и других продуктов», — заявила Анет Перейра де Соуза, профессор UNICAMP и руководитель проекта.
Анализ трёх видов грибов
Исследователи проанализировали генетические механизмы, участвующие в секреции и экспрессии ферментов, используемых тремя видами грибов для деградации сахарного тростника: Trichoderma harzianum, T. reesei и T. atroviride.
Эти грибы часто встречаются в почве, на древесине, коре и других субстратах. Они гидролизуют различные углеводы, включая целлюлозу соломы и жмыха тростника, с помощью ферментов в своих клеточных стенках.
Учёные использовали методы биотехнологии и биоинформатики, чтобы выяснить, имеют ли ферменты, производимые тремя видами Trichoderma, сходства и различия, которые могут усиливать или ограничивать их эффективность в расщеплении биомассы, а также ведут ли они себя синергично в этом процессе.
Методология исследования
- Измерение активности ферментов: Учёные измерили уровни активности ферментов, секретируемых тремя видами грибов при ферментации жмыха, чистой целлюлозы и глюкозы сахарного тростника. Для этого они подсчитали и проанализировали белки, присутствующие в этих трёх разных субстратах на пике процесса биодеградации.
- Идентификация генов: С помощью высокопроизводительной техники РНК-секвенирования (RNA-seq) были идентифицированы экспрессируемые гены.
- Биоинформатический анализ: Используя биоинформатические инструменты, исследователи сравнили данные и смогли определить сети генов, которые корегулируются тремя видами грибов и могут быть необходимы для расщепления биомассы.
«Мы идентифицировали высоко синергичные сети корегуляции генов, участвующие в ферментативной деградации биомассы сахарного тростника тремя видами грибов», — сказал Жаире Алвес Феррейра Филью, соавтор исследования.
Высокая степень синергии
Исследователи идентифицировали 80 белков и их соответствующих генов, общих для трёх видов грибов. Из них 19 белков были обнаружены у всех трёх видов.
Эти 19 белков и их гены участвуют в производстве и секреции гидролитических ферментов и связаны с различными грибковыми механизмами расщепления биомассы.
Расшифровка генетических взаимосвязей между наборами генов предоставляет важную информацию для разработки рекомбинантных микроорганизмов с потенциальным промышленным применением, одновременно способствуя пониманию синергических реакций между ферментами.
«Наше детальное описание этих реакций приведёт к значительным успехам. Оно обеспечивает прочную основу для использования генетической информации в производстве биотоплива и множества биосоединений», — сказала Мария Аугуста Кривеленте Хорта, первый автор статьи.