Грибные ферменты объединяются для более эффективного расщепления целлюлозы

Одним из главных барьеров в коммерческом производстве устойчивых биотоплив является экономически эффективное расщепление биоэнергетических культур на сахара, которые затем можно превратить в топливо. Чтобы снизить этот барьер, исследователи в области биоэнергетики обращаются к природе и примерно 1,5 миллионам видов грибов, которые в совокупности могут разлагать почти любое вещество на Земле, включая растительную биомассу.

Как сообщалось 26 мая 2017 года в Nature Microbiology, группа под руководством исследователей из Калифорнийского университета (UC) в Санта-Барбаре впервые обнаружила, что ранние линии грибов могут формировать комплексы ферментов, способные разлагать растительную биомассу. Объединяя эти ферменты, по сути, в сборочные белковые линии, они могут работать в команде более эффективно, чем по отдельности. Работа стала возможной благодаря использованию возможностей двух пользовательских объектов Управления науки Министерства энергетики США (DOE): Объединенного института геномики (JGI) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Лаборатории экологической молекулярной науки (EMSL) в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

«У бактерий есть белковые комплексы, называемые целлюлосомами, которые объединяют ферменты для расщепления растительной биомассы», — сказала старший автор исследования Мишель О’Мэлли из UC Santa Barbara. «Идея в том, что эти кластеры лучше атакуют биомассу, потому что они удерживают различные ферменты на месте с помощью плаг-докеринов, чтобы те работали эффективнее. Это подробно изучалось у бактерий более 20 лет, но теперь впервые наблюдается у грибов».

С помощью DOE JGI и EMSL команда обнаружила белковые комплексы у анаэробных кишечных грибов, которые, по словам О’Мэлли, в принципе делают то же самое — атакуют растительную биомассу как кластер ферментов. Хотя они обнаружили, что многие ферменты в этих комплексах появились в результате горизонтального переноса генов от кишечных бактерий, они также отметили различия в составе по сравнению с бактериальными целлюлосомами. Во-первых, докерины и скаффолдин не похожи у грибов и бактерий. Кроме того, бактериальные целлюлосомы специфичны для вида. Их можно сравнить со школьной кликой, которая делает всё вместе. В отличие от них, грибные структуры, похожие на бактериальные целлюлосомы, подобны школьникам, которые легко перемещаются между различными социальными группами, и состоят из кластеров ферментов, которые могут «стыковаться» и работать в других грибах.

Исследование включало сравнительный геномный анализ пяти грибов, принадлежащих к Neocallimastigomycetes — кладе ранних эволюционных линий, которые мало изучены. Три гриба были выделены из образцов кишечника животных, собранных командой UC Santa Barbara, и секвенированы и аннотированы DOE JGI. «Данные протеомики и геномики позволили нам выяснить, что это за комплексы, и начать охоту за ними в других геномах», — сказала О’Мэлли. «Три генома действительно хорошо разрешены до такой степени, что можно начинать изучать, что там есть, что регулирует производство ферментов и как ферменты эволюционировали».

Со-старший автор исследования и руководитель программы по грибной геномике DOE JGI Игорь Григорьев отметил, что мульти-омиксный подход, использующий возможности геномики и молекулярной характеристики через совместную научную инициативу, позволяющую исследователям получать доступ к нескольким пользовательским объектам в рамках одного проекта, известного как Facilities Integrating Collaborations for User Science (FICUS), был критически важен для исследования.

«Это первый раз, когда мы увидели части грибной целлюлосомы», — сказал Григорьев. «Благодаря инициативе JGI-EMSL FICUS протеомика позволила нам найти первый из этих действительно крупных грибных белков массой ~700 килодальтон (кДа), которые удерживают все ферменты вместе (по сравнению с молекулярной массой среднего белка в 34 кДа). Затем высокое качество сборки геномов позволило идентифицировать множественные копии этого белка в каждом из геномов кишечных грибов. Одних только инструментов протеомики или секвенирования недостаточно, поскольку эти белки не похожи ни на что вне Neocallimastigomycetes. Хотя грибная целлюлосома была обнаружена с помощью протеомики, нам понадобились геномика и транскриптомика, чтобы расшифровать все её части».

Эта работа является продолжением исследований О’Мэлли анаэробных кишечных грибов, которые были опубликованы в Science в прошлом году. «Это во многом те же участники, но теперь мы копаем глубже, потому что у нас есть высокоразрешенные геномы, которых у нас тогда не было», — сказала она. «Мы можем проводить более сравнительную генетику, и теперь мы пытаемся выяснить их экологические роли в их микробиоме».

Более детальное понимание белковых механизмов деградации биомассы имеет решающее значение для продвижения повестки дня DOE по разработке устойчивых биотоплив из растительного сырья. Высокопроизводительное секвенирование в сочетании с сложной протеомикой не только проливает свет на разнообразие и сложность способностей грибов к деградации биомассы, но и создает базу знаний для использования этих способностей с помощью подходов синтетической биологии и метаболической инженерии.