От биотоплива до производства метана: исследование микробиома козьего кишечника

Профессор химической инженерии UCSB Мишель О'Мэлли и её команда представили результаты масштабного исследования микробиома кишечника травоядных, опубликованные в журнале Nature Microbiology. Цель работы — понять, как микробы помогают животным извлекать энергию из волокнистых частей растений, что может открыть пути к производству биотоплива, фармацевтических препаратов и других химикатов из возобновляемого сырья.

Изучение редких микробов

Исследователи провели более 400 параллельных анаэробных экспериментов по обогащению культур, используя образцы от козы по имени Элвей из зоопарка Санта-Барбары. Особое внимание уделялось "второстепенным игрокам" — небактериальным членам микробиома, таким как анаэробные грибы и метаногены (археи), которые сложно культивировать и чей вклад часто игнорируется.

  • Используя различные субстраты из биомассы и антибиотики для подавления бактерий, учёные выделили сообщества, где доминировали редкие микробы.
  • Последовав ДНК этих культур позволила реконструировать более 700 ранее неизвестных микробных геномов, уникальных на уровне вида, а также идентифицировать тысячи новых ферментов.

Ключевая роль грибов

Несмотря на малочисленность, анаэробные грибы играют непропорционально большую роль в разложении биомассы:

  • Они производят большинство ферментов, разрушающих биомассу, которыми пользуется всё сообщество.
  • Грибы способны физически проникать через клеточные стенки растений, обнажая поверхности для действия ферментов.

Связь с производством метана

Исследование выявило прямую связь между активностью грибов и увеличением выработки метана:

  • В сообществах с доминированием грибов производство метана было выше.
  • Учёные предполагают, что грибы эффективнее, чем бактерии, направляют углерод непосредственно метаногенам (археям), которые превращают его в метан. Бактерии же производят больше побочных продуктов (короткоцепочечные жирные кислоты).
  • Это указывает, что грибы играют бóльшую роль в выделении метана жвачными животными, чем считалось ранее.

Перспективы применения

Полученные данные приближают возможность создания технологий для промышленного производства химических веществ из целлюлозы — самого распространённого органического соединения на планете. Конечная цель — научиться проектировать сложные микробные сообщества (биореакторы) для эффективного и комплексного превращения растительной биомассы в ценные продукты.