211service.com
Varför termit tarmar kunde ge bättre biobränslen
Forskare sekvenserar genomen från hela mikrobiella samhällen i hopp om att upptäcka nya gener och organismer som kan skapa bränsle, bryta metaller eller städa upp superfundsplatser. Känd som metagenomics, bygger fältet på att studera bitar av DNA från en mängd olika organismer som lever på samma plats. Tack vare ständigt förbättrade sekvenseringsmetoder växer antalet metagenomprojekt, vilket ger forskare otaliga nya gener att utforska.
Mikrober som lever i termittarmen (visas ovan) tillåter insekten att smälta ved. Forskare hoppas kunna använda de mikrobiella gener som är ansvariga för denna process för att mer effektivt kunna producera biobränslen från träd och gräs.
Detta öppnar upp ett nytt sätt att se på dessa organismer, säger Jim Bristow , chef för gemenskapssekvenseringsprogrammet vid Department of Energy's Joint Genome Institute, i Walnut Creek, CA. Vi kommer förmodligen att upptäcka massor av grundläggande processer som vi tidigare inte visste något om.
Mikroorganismer utgör en oerhört viktig och ofta förbisedd del av miljön. De utgör huvuddelen av vår biosfär och underbygger alla näringsämnens kretslopp på vår planet, säger Philip Hugenholtz , ledare för program för mikrobiell ekologi vid Joint Genome Institute. Men vår förståelse av dessa system är fortfarande rudimentär. Mikrobiologer skulle vilja förstå dessa samhällen bättre, så att de kan använda användbara gener eller organismer, som de som tar bort föroreningar från marken, eller bättre kontrollera mikrobiella samhällen, som de som lever i vår mun eller tarm.
Standardsättet att identifiera och studera mikroorganismerna som lever i ett visst samhälle är att odla dem i ett labb, men detta är bara möjligt med cirka 1 procent av mikroberna. Men under de senaste två åren har snabbare och billigare gensekvenseringsmetoder erbjudit mikrobiologer ett nytt verktyg för att studera de övriga 99 procenten. Forskare kan extrahera DNA från, säg, en droppe havsvatten eller ett prov av slam från ett avloppsreningsverk och sedan sekvensera det DNA, som härleder genomiska ledtrådar till alla organismer som lever i den miljön.
Att sätta ihop de slumpmässiga fragmenten av DNA som genereras under sekvensering kan vara en utmaning - till och med omöjligt i vissa fall. Hugenholtz liknar processen med att försöka sätta ihop tusen pussel från en enda låda som bara rymmer några bitar från varje pussel. Så i stället för att helt sammanställa dessa genomiska pussel försöker forskare förstå de enskilda bitarna eller generna. Att identifiera generna som gör att mikroberna i termittarmen kan smälta ved till exempel kan leda till bättre biobränslen. Att omvandla cellulosa i träd och gräs till de enkla sockerarterna som kan fermenteras till etanol är en mycket energikrävande process. Om vi hade bättre enzymmaskiner för att göra det, skulle vi kanske bättre kunna göra sockerarter till etanol, säger Bristow. Termiter är världens bästa biokonverterare.
Forskare vid Joint Genome Institute, som sekvenserade en del av det mänskliga genomet och nu till stor del ägnas åt metagenomik, har precis avslutat sekvenseringen av det mikrobiella samhället som lever i termittarmen. De har redan identifierat ett antal nya cellulaser – enzymerna som bryter ner cellulosa till socker – och tittar nu på tarmen hos andra insekter som smälter ved, till exempel en anaerob population som äter poppelflis. Slutresultatet blir i princip en gigantisk reservdelslista som syntetiska biologer kan sätta ihop för att göra en idealisk energiproducerande organism, säger Hugenholtz.
Flera andra projekt – från valkadaver till avloppsvattenslam – pågår eller är redan slutförda, vilket lovar en enorm mängd nya genetiska data. Ett nyligen genomfört projekt vid University of California, Berkeley, identifierade till exempel tre nya organismer som lever i den mycket sura miljön i övergivna gruvor. (Bakterier som täcker golven i dessa gruvor omvandlar järn till syra, som sedan kan förorena närliggande vattendrag.) De är nära storleken på virus och kan vara de minsta organismer som någonsin upptäckts, säger Brett Baker, forskare vid UC Berkeley, som arbetat med projektet Jill Banfield , också vid UC Berkeley. Dessa organismer kan ge ledtrådar till andra livsformer anpassade till extrema miljöer, som Mars.
Nästa hinder inom metagenomik kommer att vara att försöka hitta funktionen hos många av de nyligen identifierade generna: till skillnad från cellulaser i termiter har de flesta gener liten strukturell likhet med gener från välstuderade organismer, vilket gör det svårt att sluta sig till deras funktion. I ett prov av vatten från Sargassohavet som samlats in av genomikpionjären Craig Venter, är de två vanligaste och sannolikt viktigaste genfamiljerna helt unika: forskare har ingen aning om vad de gör. På vissa sätt är det grovt att fokusera på enorma berg i det genomiska landskapet, säger Hugenholtz. Men det uppmärksammar omedelbart intressanta vägar att följa. Strukturella studier pågår nu för att försöka ta reda på dessa proteiners funktion.
Metagenomics-projekt kan så småningom kunna belysa dessa okända gener. Vi kan titta på representationer av gener med okänd funktion i liknande miljöer, jämföra dem med miljöer som saknar en viss funktion och sedan triangulera, säger Bristow. Och metagenomiska signaturer skulle en dag kunna användas som ett fingeravtryck för att identifiera vissa miljöer, tillägger han. De skulle kunna användas som ett sätt att identifiera platser där du kanske vill borra efter olja eller leta efter mineraler eller föroreningar av något slag, säger han. Bara att se generna kan berätta vad som händer där.