Kunne køer gøre biobrændstoffer bedre?

En undersøgelse af de mikrober, der tillader køer at fordøje græs, kunne føre til bedre måder at fremstille celluloseholdige biobrændstoffer på.

Moo-crobes: Forskere fik adgang til denne ko's vom gennem åbningen, der er synlig på dyrets venstre side. Forskerne brugte poser med skiftegræs placeret inde i køernes vom til at fange mikrober, der kan fermentere den seje plante.

Biobrændstoffer fremstillet af landbrugsaffald, savsmuld og præriegræs lover at være mere økonomisk end biobrændstoffer, der stammer fra majs, sukkerrør og andre fødevareafgrøder.

Det første trin i celluloseholdige biobrændstoffer er at omdanne hårde plantematerialer lavet af cellulose og lignin til sukkerarter, som derefter kan fermenteres til at lave brændstoffer. Men det er dyrt og kræver i øjeblikket en stor mængde enzymer for at nedbryde cellulose. Vi taler lastbillæs, siger Frances Arnold , en professor i kemiteknik ved Caltech, som ikke var involveret i koforskningen. Vi har brug for en to- til femdobling af prisen på enzymer, siger hun.

I modsætning hertil har mikroberne, der lever i den del af kvægets fordøjelseskanal kaldet vommen, forvandlet cellulose til sukker effektivt i millioner af år. Forskere håber, at en ny database med 28.000 gener sekventeret fra mikrober, der er involveret i bovin fordøjelse, vil hjælpe ingeniører med at komme op med nye enzymer og nedbringe omkostningerne ved fremstilling af celluloseholdige biobrændstoffer.

Indtil videre har producenterne sænket omkostningerne ved at fremstille cellulolytiske enzymer for det meste ved at ændre forarbejdningsmetoder. En anden tilgang ville være at lave enzymer, der virker hurtigere eller virker under forskellige forhold, såsom ekstreme temperaturer, der kan lette nedbrydningen af ​​plantemateriale. For at begynde at sænke omkostningerne ved at lave celluloseholdige biobrændstoffer har vi brug for nye enzymer, der gør mere, siger Eddy Rubin , direktør for U.S. Department of Energy Joint Genome Institute. Rubin ledede ko-mikrobe-undersøgelsen.

Problemet er, at anslået 99,9 procent af alle mikrober på jorden, inklusive dem i ko vom, ikke kan dyrkes i kultur i laboratoriet. Så bioprospektører, der leder efter naturlige mikrobielle enzymer med industrielt løfte, har haft en meget begrænset pulje af materiale at arbejde med. Heldigvis ændrer nye gensekventeringsteknologier det, hvilket gør det muligt for forskere at opdage mikrobielle enzymer ved at kigge i deres gener. Uden at skulle dyrke mikrober i laboratoriet kan forskere sekventere alt det genetiske materiale, der er til stede i et helt økosystem, og derefter screene disse data for gener af interesse. Denne type forskning kaldes metagenomics.

Rubins gruppe startede deres søgen efter bedre cellulolytiske enzymer ved at studere termitter i 2007. Mikrober, der lever i termitindvolde, fermenterer træagtigt grovfoder til sukker. Problemet med termitter, siger Rubin, var, at det var svært at få meget materiale at arbejde med, fordi termitternes indvolde er små. Undersøgelserne genererede ikke mange af de gener i fuld længde, der var nødvendige for at lave fungerende enzymer.

Kovommen kan rumme over 150 liter fordøjelig mad – hvilket giver forskerne masser af materiale at arbejde med. Køer er særligt fordelagtige forsøgspersoner til denne type undersøgelser af en anden grund. Landbrugsforskere har udviklet et system til at sætte en vinduesdækket åbning ind i køernes vom. Det er bogstaveligt talt muligt at se ind i maven gennem dette vindue, kaldet en fistel, og at sætte eksperimentelle prøver indeni og derefter trække dem ud. I samarbejde med forskere ved University of Illinois, som har køer udstyret med fistler på campus, puttede Joint Genome Institute-forskerne poser med switchgrass ind i koens maver, lod dem sidde i 48 timer og tog dem ud igen. Mikrober fundet klæber til skiftegræsset blev formodet at være involveret i fermentering af det.

Forskerne udskilte derefter mikroberne, nedbrød dem og sekventerede alt det genetiske materiale, de fandt. Forskerne var i stand til at producere en enorm mængde data om generne og nogle af de genomer, der findes i kovommen. De fandt omkring 250 milliarder basepar værd af gener, omkring 10 gange mere end det menneskelige genom.

Udfordringen var så at fortolke alle disse data. Ved at bruge de højtydende computerfaciliteter på Californiens Lawrence Berkeley National Lab sammenlignede gruppen ko-mikrobesekvenserne med en database med sekvenser, der vides at kode for enzymer, der nedbryder kulhydrater. Dette førte til en pulje på 28.000 gener til yderligere undersøgelse. Forskerne brugte derefter laboratoriebakterier til at lave proteinerne kodet af 90 af disse gener og testede deres funktionalitet. Omkring halvdelen af ​​dem var i stand til at nedbryde celluloseholdige materialer.

Ud over de 28.000 identificerede gener var forskerne i stand til at samle genomerne fra flere tidligere uopdagede mikrobielle arter. For at teste denne del af undersøgelsen isolerede de en enkelt ikke-dyrkbar bakteriecelle fra vomprøverne og sekventerede dens genom. Det matchede en af ​​dem, de havde samlet. Dette biologiske realitetstjek gør os ret trygge, siger Rubin.

Hvordan den nye database vil blive brugt, er ikke klart. Det er et leksikon for folk at trække sig ud, siger Rubin.

Tidligere bestræbelser på at komme med nye cellulytiske enzymer har ikke resulteret i meget. Der er to måder at gøre det på. Den ene er at forsøge at gøre enzymerne mere aktive. En anden måde, som Rubin og Caltechs Arnold begge betragter som mere lovende, er at finde eller fremstille enzymer, der ikke kun er mere aktive, men også arbejder under ekstreme forhold, der kan hjælpe med at lette nedbrydningen af ​​hårde planter, såsom høj temperatur, høj -saltopløsninger – forhold, der destabiliserer nutidens enzymer.

I mellemtiden anvender forskere metagenomisk analyse til andre mikrobielle samfund, der fermenterer hårde planter. David Weiner, leder af forskning og udvikling hos enzymvirksomheden Verenium , siger, at hans virksomhed allerede har termit-mikrobeenzymer i sin produkt-evalueringspipeline. Virksomheden var involveret i de tidligere termitundersøgelser udført af Joint Genome Institute-forskere og har udviklet en platform til at fremskynde testningen af ​​nye enzymer. Weiner siger, at virksomheden også leder efter enzymgener i andre drøvtyggere, herunder zebraer, og i prøver taget fra for eksempel nedbrydningsstammer. Verenium solgte en del af sin cellulolytiske enzymforretning til BP sidste efterår.

skjule