Микроб, питающийся лигнином, открывает перспективы для биотоплива
Природа создала лигнин — прочный древесный полимер в стенках растительных клеток — для связывания и защиты целлюлозных сахаров, которые растения используют для энергии. Это делает лигнин главным препятствием для извлечения тех же растительных сахаров с целью производства биотоплива нового поколения.
В поисках экономичных способов преодолеть проблему лигнина исследователи из Объединённого института биоэнергетики (JBEI) охарактеризовали ферментативную активность микроба из тропического леса, который разлагает лигнин, по сути, «дыша» им.
Многосторонний подход к разгадке
«Используя комбинацию транскриптомики и протеомики, мы наблюдали за анаэробом Enterobacter lignolyticus SCF1, растущим на лигнине, — говорит Блейк Симмонс, химический инженер, возглавляющий Отдел деконструкции JBEI. — Мы зафиксировали значительную деградацию лигнина со временем по показателю поглощения, что указывает на возможность использования ферментов E. lignolyticus для разрушения лигнина и улучшения производства биотоплива».
Проблема не только в том, что лигнин блокирует доступ к целлюллозе. Побочные продукты его разложения могут быть токсичны для микробов, используемых для ферментации сахаров в топливо. Поэтому поиск микробов, устойчивых к лигнину, — приоритет для исследований в области биотоплива.
Уроки тропического леса
Тропические леса являются домом для анаэробных микробов, которые фактически используют лигнин как единственный источник углерода. Кристен ДеАнджелис, микробный эколог, ранее работавшая в JBEI, а ныне — в Университете Массачусетса, возглавляла экспедиции в экспериментальный лес Луккильо для сбора почвенных микроорганизмов.
«Почвенные микробы тропиков ответственны за почти полное разложение листового опада всего за восемнадцать месяцев, — отмечает она. — Быстрый рост, высокая эффективность и специфичность ферментов, задействованных в этом анаэробном процессе, делают их полезными шаблонами для улучшения производства биотоплива».
Механизм разложения и новые данные
В более раннем исследовании JBEI под руководством ДеАнджелис было показано, что E. lignolyticus SCF1 способен к анаэробной деградации лигнина, но ферменты, стоящие за этим процессом, оставались неизвестны. Благодаря многостороннему подходу (мульти-омикс) и измерениям ферментативной активности учёным удалось охарактеризовать механизмы, с помощью которых E. lignolyticus SCF1 разлагает лигнин в анаэробных условиях.
«Мы обнаружили, что E. lignolyticus SCF1 способен разлагать 56% лигнина в анаэробных условиях за 48 часов, при этом численность клеток в среде с лигнином была выше, чем без него, — сообщает Симмонс. — Протеомный анализ позволил нам идентифицировать 229 белков, содержание которых значительно различалось между этими двумя условиями. Из них 127 белков были как минимум в два раза более активны в присутствии лигнина».
Это исследование также впервые показало, что почвенная бактерия E. lignolyticus SCF1 способна разлагать лигнин как по ассимиляционному, так и по диссимиляционному пути.
Следующие шаги
«Наш следующий шаг — выяснить, какие типы химических связей предпочитают эти два различных пути восстановления, — говорит ДеАнджелис. — Затем мы можем попытаться разработать целевые маршруты к нужным промежуточным продуктам, определив молекулярные механизмы ферментативных реакций с лигнином».