Созданы новые ферменты для производства биотоплива
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) и ведущей компании по синтезу генов DNA2.0 сделали важный шаг к созданию экономичного процесса извлечения сахаров из целлюлозы — самого распространённого органического материала и самой дешёвой формы хранения солнечной энергии. Растительные сахара легко превращаются в различные виды возобновляемого топлива, например, этанол или бутанол.
В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, Фрэнсис Х. Арнольд и её коллеги сообщают о создании 15 новых высокостабильных ферментов-катализаторов грибкового происхождения, которые эффективно расщепляют целлюлозу на сахара при высоких температурах. Ранее было известно менее 10 таких ферментов — грибковых целлюлаз типа II (cellobiohydrolase II). Помимо замечательной стабильности, ферменты Арнольд разрушают целлюлозу в широком диапазоне условий.
Большинство современных биотоплив производят из кукурузного крахмала, но процесс дорог из-за высокой цены на само зерно. Сельскохозяйственные отходы, такие как кукурузная солома, дёшевы и в основном состоят из целлюлозы. Однако целлюлоза гораздо сложнее расщепляется, чем крахмал: для её деградации требуется целый набор ферментов (целлюлаз), работающих согласованно.
Промышленно используемые сегодня целлюлазы, выделенные из различных видов грибов, медленны и нестабильны, что делает процесс слишком дорогим. «Даже двукратное снижение их стоимости могло бы существенно повлиять на экономику возобновляемого топлива и химикатов», — говорит Арнольд.
Арнольд и её коллеги создали 15 новых ферментов с помощью метода структурно-направленной рекомбинации. Используя компьютерную программу для проектирования точек рекомбинации, исследователи «скрестили» последовательности трёх известных грибковых целлюлаз, получив более 6000 последовательностей-потомков, отличных от родительских, но кодирующих белки с той же структурой и способностью разрушать целлюлозу.
Проанализировав ферменты, закодированные небольшой частью этих последовательностей, учёные смогли предсказать, какие из более чем 6000 возможных новых ферментов будут наиболее стабильны, особенно при повышенных температурах (термостабильность).
Термостабильность — ключевое требование для эффективных целлюлаз, поскольку при высоких температурах (70–80 °C) химические реакции идут быстрее, а целлюлоза набухает, что облегчает её расщепление. Однако известные природные целлюлазы обычно не работают при температуре выше 50 °C.
«Высокотемпературные ферменты также, как правило, долго живут даже при более низких температурах, — отмечает Арнольд. — А более долговечные ферменты расщепляют больше целлюлозы, что снижает стоимость».
На основе компьютерных последовательностей сотрудники DNA2.0 синтезировали реальные ДНК, которые перенесли в дрожжи в лаборатории Арнольд. Дрожжи производили ферменты, которые затем тестировали на способность и эффективность деградации целлюлозы. Каждый из 15 новых целлюлаз, описанных в статье, оказался более стабильным, работал при значительно более высоких температурах (70–75 °C) и разрушал больше целлюлозы при этих температурах, чем родительские ферменты.
«Это действительно хорошая демонстрация силы синтетической биологии, — говорит Арнольд. — Мы просто отправили по электронной почте в DNA2.0 последовательности на основе данных из базы и нашего дизайна рекомбинации, и они синтезировали ДНК. Нам не пришлось обращаться к какому-либо организму. Мы даже не прикасались к грибам».
В дальнейшем исследователи планируют использовать метод структурно-направленной рекомбинации для совершенствования каждого из примерно полудюжины целлюлаз, необходимых для промышленного расщепления целлюлозы. Конечная цель — создать экономичный рецепт производства целлюлозного биотоплива.
«Энергетика — крупнейшая отрасль в мире. Если мы сможем заменить импортную нефть возобновляемым биотопливом, это будет огромным вкладом. И этот переход сейчас идёт медленно именно потому, что эти ферменты слишком дороги», — заключает Арнольд.