211service.com
Kan kor göra biobränslen bättre?
En studie av mikroberna som gör att kor kan smälta gräs kan leda till bättre sätt att tillverka cellulosabaserade biobränslen.
Moo-crobes: Forskare fick tillgång till denna kons vom genom öppningen på djurets vänstra sida. Forskarna använde påsar med switchgrass placerade inuti kors vommen för att fånga upp mikrober som kan jäsa den sega växten.
Biobränslen gjorda av jordbruksavfall, sågspån och präriegräs lovar att vara mer ekonomiskt än biobränslen som härrör från majs, sockerrör och andra livsmedelsgrödor.
Det första steget i cellulosabaserade biobränslen är att omvandla sega växtmaterial gjorda av cellulosa och lignin till sockerarter som sedan kan fermenteras för att göra bränslen. Men detta är dyrt och kräver för närvarande en stor mängd enzymer för att bryta ner cellulosa. Vi pratar lastbilslaster, säger Frances Arnold , en professor i kemiteknik vid Caltech som inte var involverad i koforskningen. Vi behöver en två- till femfaldig minskning av kostnaden för enzymer, säger hon.
Däremot har mikroberna som lever i den del av nötkreaturens matsmältningskanal som kallas vommen effektivt förvandlat cellulosa till socker i miljontals år. Forskare hoppas att en ny databas med 28 000 gener sekvenserade från mikrober som är involverade i nötkreaturssmältning kommer att hjälpa ingenjörer att komma på nya enzymer och få ner kostnaderna för att tillverka cellulosabaserade biobränslen.
Hittills har tillverkare sänkt kostnaderna för att tillverka cellulolytiska enzymer främst genom att ändra bearbetningsmetoder. Ett annat tillvägagångssätt skulle vara att göra enzymer som arbetar snabbare eller fungerar under olika förhållanden, som extrema temperaturer, som kan underlätta nedbrytningen av växtmaterial. För att börja sänka kostnaderna för att tillverka cellulosabaserade biobränslen behöver vi nya enzymer som gör mer, säger Eddy Rubin , chef för U.S. Department of Energy Joint Genome Institute. Rubin ledde studien av ko-mikrober.
Problemet är att uppskattningsvis 99,9 procent av alla mikrober på jorden, inklusive de i kovommen, inte kan odlas i odling i labbet. Så bioprospektörer som letar efter naturliga mikrobiella enzymer med industriellt löfte har haft en mycket begränsad pool av material att arbeta med. Lyckligtvis förändrar nya gensekvenseringsteknologier det, vilket gör att forskare kan upptäcka mikrobiella enzymer genom att titta i deras gener. Utan att behöva odla mikrober i labbet kan forskare sekvensera allt genetiskt material som finns i ett helt ekosystem och sedan screena dessa data för gener av intresse. Denna typ av forskning kallas metagenomik.
Rubins grupp startade sitt sökande efter bättre cellulolytiska enzymer genom att studera termiter 2007. Mikrober som lever i termittarmar jäser vedartat grovfoder till sockerarter. Problemet med termiter, säger Rubin, var att det var svårt att få mycket material att arbeta med eftersom termiter är små. Studierna genererade inte många av de fullängdsgener som behövdes för att göra fungerande enzymer.
Kovommen rymmer över 150 liter smält mat – vilket ger forskarna mycket material att arbeta med. Kor är särskilt fördelaktiga försökspersoner för denna typ av studier av en annan anledning. Lantbruksforskare har utvecklat ett system för att sätta in en fönstertäckt öppning i kors vom. Det är bokstavligen möjligt att titta in i magen genom det här fönstret, som kallas en fistel, och att sätta in experimentella prover och sedan dra ut dem. Joint Genome Institutes forskare arbetade med forskare vid University of Illinois som har kor försedda med fistlar på campus och lade påsar med switchgrass i konens magar, lät dem sitta i 48 timmar och tog ut dem igen. Mikrober som hittats vidhäftande till switchgrass antogs vara inblandade i att fermentera det.
Forskarna separerade sedan ut mikroberna, bröt ner dem och sekvenserade allt genetiskt material de hittade. Forskarna kunde ta fram en enorm mängd data om generna, och några av de genomen, som finns i kovommen. De hittade gener till ett värde av cirka 250 miljarder baspar, cirka 10 gånger mer än det mänskliga genomet utgör.
Utmaningen var då att tolka all denna data. Med hjälp av de högpresterande datorfaciliteterna vid Kaliforniens Lawrence Berkeley National Lab, jämförde gruppen ko-mikrobersekvenserna med en databas med sekvenser som är kända för att koda för enzymer som bryter ner kolhydrater. Detta ledde till en pool av 28 000 gener för vidare studier. Forskarna använde sedan labbbakterier för att göra proteinerna som kodas av 90 av dessa gener och testade deras funktionalitet. Ungefär hälften av dem kunde bryta ner cellulosamaterial.
Utöver de 28 000 gener som identifierats kunde forskarna åter sammanställa genomen från flera tidigare oupptäckta mikrobiella arter. För att testa denna del av studien isolerade de en enda oodlingsbar bakteriecell från vomproverna och sekvenserade dess genom. Den matchade en av de som de hade satt ihop. Den här biologiska verklighetskontrollen gör oss ganska säkra, säger Rubin.
Hur den nya databasen kommer att användas är inte klart. Det är ett uppslagsverk för folk att dra sig ur, säger Rubin.
Tidigare ansträngningar att komma med nya cellulytiska enzymer har inte resulterat i mycket. Det finns två sätt att göra det. En är att försöka göra enzymerna mer aktiva. Ett annat sätt, ett som båda Rubin och Caltechs Arnold anser vara mer lovande, är att hitta eller tillverka enzymer som inte bara är mer aktiva, utan också fungerar under extrema förhållanden som kan hjälpa till att underlätta nedbrytningen av tuffa växter, såsom hög temperatur, hög -saltlösningar–förhållanden som destabiliserar dagens enzymer.
Samtidigt tillämpar forskare metagenomisk analys på andra mikrobiella samhällen som fermenterar tuffa växter. David Weiner, chef för forskning och utveckling på enzymföretaget Verenium , säger att hans företag redan har termit-mikrobenzymer i sin produktutvärderingspipeline. Företaget var involverat i de tidigare termitstudierna som gjorts av Joint Genome Institute-forskarna och har utvecklat en plattform för att påskynda testningen av nya enzymer. Weiner säger att företaget också letar efter enzymgener i andra idisslare, inklusive zebror, och i prover som tas från till exempel sönderfallande stockar. Verenium sålde en del av sin cellulolytiska enzymverksamhet till BP i höstas.