Biokuras ir chemijos gamyba iš vaiko paslapčių

San Clemente salos ožka Elway gali daug ko išmokyti apie biologinį apdorojimą. Kreditas: UC Santa Barbara

Pradedant biokuru ir kitomis cheminėmis medžiagomis, baigiant metano gamyba, genominiai tyrimai apžvelgia ožkos žarnyno paslaptis.

Michelle O’Malley jau seniai įkvėpė žarnyno mikrobai. Pradėjusi studijuoti žolėdžių virškinamąjį traktą, UC Santa Barbaros chemijos inžinerijos profesorė atvedė kelis studentus į doktorantūrą, laimėjo ankstyvosios ir vidurinės karjeros apdovanojimus (įskaitant prezidento Obamos pripažinimą), pasiekė savo pareigas ir pasiekė visišką pažangą profesorius. Kelyje ji turėjo net tris vaikus. Pastovumas per visa tai: boksas.

„Tai buvo ilgiausios mano laboratorijos pastangos“, – sakė O’Malley, kuri kartu su savo tyrimų komanda 2015 m. Pirmą kartą pradėjo ambicingą projektą, skirtą apibūdinti didelių žolėdžių žarnyno mikrobus. Tikslas? Suprasti, kaip šie gyvūnai sugeba išgauti energiją iš augalinės medžiagos per savo mikrobiomas, ypač skaidulinius, nemaistinius komponentus, kur cukrus yra užrakintas už lipnių augalų ląstelių sienelių. Jei suprantate šį procesą, galite atrasti būdų, kaip išgauti žaliavas, reikalingas įvairiausiems šiuolaikiniam gyvenimui reikalingiems chemikalams – nuo biokuro iki farmacijos – iš gausių, atsinaujinančių augalų dalių. Tai savo ruožtu gali sumažinti ar net panaikinti mūsų priklausomybę nuo ribotesnių šios medžiagos išteklių.

Dabar O’Malley pasiekė dar vieną etapą. Žurnalo straipsnyje Natūrali mikrobiologija, ji ir jos komanda praneša apie daugiau nei 400 lygiagrečių anaerobinio sodrinimo eksperimentų, apimančių daugiau nei 700 anksčiau nežinomų mikrobų genomų ir tūkstančius naujų fermentų, rezultatus, taip pat galimą metano, kurį dažnai kaltina karvės ir ožkos, mechanizmą.

Mikrobų skambutis

„Vienas iš dalykų, kurį norėjome padaryti atlikdami šį tyrimą, buvo paklausti savęs, ar galime išmokti biologinio apdorojimo pamokas, kurias siūlo virškinimo trakto dėžutė“, – sakė O’Malley. Kaip ir visų atrajotojų, ožkų žarnyne yra mikrobiomų, kurios per milijonus metų išsivystė išskiriant galingus fermentus, kurie skaido sunkias augalų dalis, suteikiant gyvūnams galimybę gauti mitybą iš skirtingos augmenijos.

„Tyrimo tikslas – sužinoti daugiau apie mikrobus ir, dar svarbiau, mikrobų komandas, atliekančias sunkias užduotis“, – sakė ji.

Tyrėjus ypač domino ne bakteriniai vaiko mikrobiomo indai – „smulkūs žaidėjai“, tokie kaip anaerobiniai grybai, kurie sudaro nedidelę dalį bakterijų dominuojamos populiacijos. Šių bendruomenės narių yra ne tik nedaug, bet ir sunku juos ugdyti, sakė O’Malley. Nors žarnyno mikrobiomo tyrimai buvo vykdomi ilgą laiką, daugumoje tyrimų nepaisoma retų mikrobiomų narių indėlio.

„Niekas iš tikrųjų nežiūrėjo į šių retų narių pasekmes“, – sakė ji.

Daugiau nei 400 lygiagrečių išmatų sodrinimo eksperimentų, kuriuos atliko Santa Barbaros zoologijos sode gyvenanti San Clemente salos ožka Elway, mokslininkai erzino biomasę skaidančių mikrobų, turinčių skirtingą biomasės substratą, populiacijas. Jie toliau suformavo kai kurias iš šių populiacijų, naudodami antibiotikus, kad slopintų bakterijų dauginimąsi, leidžiant dominuoti retesniems mikrobams, tokiems kaip grybai ir metanogenai (vienaląsčiai organizmai iš archaea domeno).

„Ir tada mes sekame visas kultūras“, – sakė O’Malley. „Mes pristatome fragmentuotą DNR iš naujo surinktos eilės rekonstruoti aukštos kokybės genomus, ir tai mums suteikė bendrą vaizdą apie tai, kas ten buvo. Toliau šiame genome ieškojome fermentų ir kelių, leidžiančių suprasti, ką daro kiekvienas mikrobiome esantis mikrobas. „O’Malley laboratorijos tyrėjai šiuos mėginius sudarė Energetikos jungtinio genomo instituto (JGI) departamente kaip dalį JGI bendruomenės mokslo programos; šiame tyrime jie bendradarbiavo su JGI ekspertais metagenominės sekos ir grybelių genomikos srityje.

Tyrimo metu komanda atskleidė daugiau nei 700 naujų mikrobų genomų, „unikalių rūšies lygmeniu“. Taip pat buvo retų grybų, kurie anksčiau juos išskyrė iš didelių žolėdžių.

„Bet tai buvo pirmas kartas, kai mes tikrai matėme juos veikiančius savo įprastoje bendruomenėje“, – sakė O’Malley.

Sunkūs hitai

Dėl mažos jų populiacijos grybai vaidina pernelyg didelį vaidmenį skaidant biomasę.

„Jie gamina didžiąją dalį biomasę skaidančių fermentų, kurių funkcionavimui remiasi bendruomenė“, – pažymėjo O’Malley. Anot laikraščio, grybai turi ir kitų strategijų, pavyzdžiui, galimybę fiziškai prasiskverbti į augalų ląstelių sienas, atskleidžiant paviršius, į kuriuos šie fermentai gali reaguoti.

Tyrėjai taip pat nustatė, kad padidėjus biomasės pablogėjimui, padidėjo metano gamyba konsorciumuose, kuriuose dominuoja grybai. Nors tiek žarnyno bakterijos, tiek žarnyno grybai palaiko partnerystę su metanogenais, kurie daugiausia perneša anglį į dumblius, kurie ją fermentuoja gamtinėse dujose, grybai atrodo efektyvesni.

„Mes manome, kad grybai efektyviau paverčia anglį metanu“, – sakė O’Malley. “Kitaip tariant, grybai negamina daug šalutinių produktų, kaip būtų bakterijos. Bakterijos, be tam tikro metano, papildomai gamina trumpos grandinės riebalų rūgštis ir kitus cheminius produktus. Bet grybai gali turėti tiesioginį kelią, kuris medžiagas skverbiasi į metanogenus. „Pasak laikraščio, tai rodo, kad„ grybai vaidina didesnį vaidmenį išskiriant metaną nei buvo pripažinta anksčiau “.

Šios ir kitos tyrimo įžvalgos priartina mus prie technologijų, naudojančių mikrobus cheminių medžiagų gamybai iš celiuliozės, labiausiai paplitusio organinio junginio, vystymosi. O’Malley ir jos grupė yra pasiryžę suprasti šių sudėtingų atrajotojų bendruomenių vaidmenis ir sąveiką tarp jų ir žvelgia į ateitį, kur sukurtos mikrobų bendruomenės gali sukurti pridėtinės vertės chemikalus.

Ar galime pastatyti biologinį reaktorių, kuriame būtų ne tik vieno tipo mikrobai, bet keli ar dešimtys mikrobų? Ar tikrai galime atlikti sudėtingą chemiją, kaip daro gamta? Tai čia pagrindinis tikslas “, – sakė O’Malley.

Nuoroda: “Genominė ir funkcinė grybelių ir bakterijų konsorciumų, skaidančių lignoceliuliozę vaikų mikrobiomose, analizė” Xuefeng Peng, St. Elmo Wilken, Thomas S. Lankiewicz, Seanas P. Gilmore, Jennifer L. Brown, John K. Henske, Candice L. Swift, Asaf Salamov, Kerrie Barry, Igoris V. Grigoriev, Michael K. Theodorou, David L. Valentine ir Michelle A. O’Malley, 2021 m. Vasario 1 d., Natūrali mikrobiologija.
DOI: 10.1038 / s41564-020-00861-0

Tyrimus šiame straipsnyje taip pat atliko Xuefengas „Nickas“ Pengas, Šv. Elmo Wilkenas, Thomas S. Lankiewiczius, Seanas P. Gilmore’as, Jennifer L. Brown, Joh K. Henske, Candice L. Swift ir Davidas L. Valentine’as iš UC Santa Barbaros; Asafas Salamovas, Kerrie Barry ir Igoris V. Grigorjevas iš Nacionalinės laboratorijos Energetikos jungtinio genomo instituto departamento Lawrence Berkeley; ir Michaelas K. Theodorou iš Harperio Adamso universiteto Jungtinėje Karalystėje. Tyrimą finansavo Nacionalinio mokslo fondo Energetikos departamento dotacijos, kurias skyrė Jungtinis bioenergijos institutas (JBEI) Lawrence Berkeley nacionalinei laboratorijai, Bendradarbiaujančių biotechnologijų institutui (ICB). ir naujas Kalifornijos NanoSystems instituto (CNSI) partnerystės apdovanojimas UC Santa Barbaros miestelyje.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Didžiausia aplinkos šalinimo kaukė – ir kaip ją sumažinti

Naujas tyrimas nustatė naudojamo N95 išeikvojimą ir pasiūlė tinkamus būdus jį sumažinti. Nuo praėjusiais metais prasidėjusios „Covid-19“ epidemijos, užrištos akys tapo dar viena sveikatos apsaugos...

Neuromediatorių lygis smegenyse nuspėja matematinius sugebėjimus

Skenavimas buvo baigtas 1 ir 2 metu (maždaug po 1,5 metų) kiekvienoje iš penkių amžiaus grupių (6-erių, 10-mečių, 14-mečių, 16-mečių ir 18 metų) -metukai)....

Genetikai atskleidžia mutacijas, sukeliančias sunkų vaikystės vėžį – vartokite vaistus, kad pašalintumėte jų šalutinį poveikį

Trejybės koledžo genetikai atrado specifinio geno, vadinamo H3K27M, mutaciją, sukeliančią neišgydomą vaikystės vėžį, vadinamą diffi midi glioma (DMG). Augimas taikant tikslinius vaistus. Jų istoriniai...

Neigiamų jonų sulaikymas tarpžvaigždinėje erdvėje

Kaip tarpžvaigždinėje aplinkoje kuriamos neigiamai įkrautos molekulės? Tarpžvaigždiniai debesys yra naujų žvaigždžių gimtinė. Tačiau jie taip pat vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant gyvenimą visatoje per...

Naujas algoritmas skrenda greičiau nei bepiločiai orlaiviai nei pasaulinės klasės žmonių rasės pilotai

Dronas, skrendantis per Dūmus, kad įsivaizduotų kompleksinius aerodinaminius efektus. Paskola Robotikos խումբ suvokimo grupė, Juricho universitetas Norėdami būti naudingi, bepiločiai orlaiviai turi būti...

Newsletter

Subscribe to stay updated.