Микроб из горячего источника производит рекордно термостойкий фермент
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Медицинской школы Университета Мэриленда обнаружили в горячем источнике в Неваде микроба, который питается растительным материалом — целлюлозой — при температурах, близких к температуре кипения воды.
Фермент микроба, расщепляющий целлюлозу (целлюлаза), наиболее активен при рекордных 109 градусах Цельсия, что значительно выше точки кипения воды (100 °C).
Этот так называемый гипертермофильный микроб был обнаружен в геотермальном источнике с температурой 95 °C. Он является лишь вторым известным представителем древней группы Архей, способным расти за счёт переваривания целлюлозы при температуре выше 80 °C. Его целлюлаза — самый термостойкий фермент такого типа среди всех известных целлюлозопереваривающих микробов, включая бактерии.
"Это самые термофильные Археи, обнаруженные на целлюлозе, и самая термофильная целлюлаза среди всех организмов", — заявил соавтор работы Дуглас С. Кларк.
Исследовательские группы из Беркли и Мэриленда анализируют микробов из горячих источников и других экстремальных сред в поисках новых ферментов для промышленных процессов, в том числе для производства биотоплива из трудноусвояемых растительных волокон. Работа поддержана грантом Института энергетических бионаук (EBI).
"Мы надеемся, что этот и другие примеры из экстремальных сред... могут предоставить целлюлазы с улучшенными функциями в условиях, типичных для промышленных применений, включая производство биотоплива", — отметил Кларк.
Результаты исследования опубликованы 5 июля в онлайн-журнале Nature Communications.
Многие промышленные процессы используют природные ферменты из организмов, живущих в экстремальных условиях. Однако существующие ферменты, например, используемый для расщепления целлюлозы грибной фермент с оптимальной температурой около 50 °C, часто не оптимизированы для промышленности. Поиск в экстремальных средах позволяет найти более стабильные и эффективные варианты.
"Это открытие интересно, потому что помогает определить диапазон природных условий, в которых существуют целлюлолитические организмы... Это указывает на то, что существует множество потенциально полезных целлюлаз в местах, где мы ещё не искали", — сказал Кларк.
Пробы осадка и воды были взяты из источника Great Boiling Springs (95 °C) в Неваде. Микробы выращивали на измельчённой биомассе Miscanthus gigas, чтобы выделить те, что используют растительные волокна как единственный источник углерода.
Метагеномный анализ показал, что три различных вида Архей способны использовать целлюлозу. С помощью генетических методов был выделен наиболее активный высокотемпературный фермент EBI-244, связанный с самым распространённым из этих видов.
Судя по структуре, этот фермент может представлять собой новый тип целлюлазы или очень необычного представителя уже известного семейства.
Фермент настолько стабилен, что работает в условиях, близких к тем, что используются для предварительной обработки сырья с целью разрушения лигноцеллюлозы. Это позволяет предположить, что в будущем целлюлазы можно будет использовать в том же реакторе, где проводится предварительная обработка.
Новый гипертермофильный фермент может работать при слишком высокой температуре для некоторых процессов. Однако, собрав коллекцию подобных целлюлаз, белковые инженеры смогут создать версию фермента, оптимизированную для работы при более низкой температуре, но с сохранением высокой структурной стабильности.
"Мы могли бы даже найти целлюлазу, которую можно было бы использовать как есть... но, по крайней мере, они дадут нам информацию для конструирования новых целлюлаз и лучшее понимание разнообразия природы", — заключил Кларк.