Новая линия дрожжей производит биотопливо эффективнее

Биоэтанол — один из самых перспективных видов биотоплива. Надо только найти дешевый способ получения большого количества этанола из возобновимого сырья. В статье, опубликованной недавно в журнале Science, предлагается использовать для этого методы генной инженерии и «научить» дрожжи разлагать целлюлозу, из которой состоят клеточные стенки растений. Таким образом, растительная биомасса будет использована более полно, а количество этанола на выходе увеличится.

Основной субстрат дрожжей — гексозы (например, глюкоза) и состоящие из них олигосахариды (например, сахароза), которые они сбраживают, превращая в этанол и углекислый газ. Дрожжи — довольно привередливые создания; хотя они в определенных условиях могут расти и на некоторых других субстратах, но один их самых распространенных углеводов — целлюлозу — они не разлагают никогда.

Поэтому при получении этанола из растительной биомассы с помощью дрожжей либо остается огромное количество отходов, либо приходится добавлять в смесь «внешние», внеклеточные, ферменты, чтобы расщепить целлюлозу до съедобной для дрожжей глюкозы. Это создает много дополнительных проблем и делает такой способ получения этанола куда менее рентабельным, чем он мог бы быть.

Между тем, целлюлолитические грибы — например, известный модельный организм нейроспора (Neurospora crassa) — прекрасно растут на целлодекстринах (см. Cellodextrin) (то есть фрагментах целлюлозы) и замечательно их разлагают. Это навело исследователей из Калифорнийского университета в Беркли (США) и их коллегу из Тяньцзиньского института индустриальной биотехнологии (Китай) на мысль: а что если вживить клеткам дрожжей (использовались столь любимые биологами Saccharomyces cerevisiae) те гены нейроспоры, которые позволяют ей транспортировать внутрь клетки и расщеплять фрагменты целлюлозы?

Исследователи выбрали два целлодекстриновых переносчика нейроспоры и вживили каждый в свою линию дрожжей. Кроме того, каждая дрожжевая линия получила ген внутриклеточной бета-галактозидазы, расщепляющей целлодекстрины до глюкозы.

Экспериментальная линия дрожжей работала так: внеклеточные, добавленные к биомассе целлюлазы расщепляли целлюлозные нити до целлодекстринов; «нейроспорный», вживленный переносчик захватывал плавающие в субстрате целлодекстрины и переносил их внутрь клетки; внутриклеточная (тоже «нейроспорная») бета-галактозидаза расщепляла их до глюкозы, а после этого уже включалась «родная» дрожжевая система превращения глюкозы в спирт и углекислый газ.

Рис. 1. Работа дрожжей, содержащих транспортер для целлодекстринов и внутриклеточную бета-галактозидазу. Нити целлюлозы (черточки наверху) расщепляются целлюлазами (GH) до целлодекстринов (Cdex), которые подхватываются транспортерами (CDT) и попадают внутрь клетки. Там бета-галактозидаза (βG) расщепляет их до глюкозы (Glc). После этого система дрожжевых ферментов превращает глюкозу в биоэтанол (Fuel). При этом никто не мешает нам использовать и традиционный способ «внешнего» расщепления целлодекстринов до глюкозы с помощью внеклеточной бета-галактозидазы (показан светло-серым). Полученная «внешняя» глюкоза попадает в клетку с помощью гексозных транспортеров (HXT). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.

Большое достоинство этого метода в том, что глюкоза «не высовывается» из клетки, а значит, уменьшается риск заражения субстрата другими организмами, питающимися глюкозой.

Полученные линии неплохо росли на целлобиозе (целлодекстрине, состоящем из двух глюкозных остатков), причем одна из линий росла гораздо лучше другой — то есть один из исследуемых транспортеров имеет большее сродство к целлобиозе. Поскольку он умеет переносить еще и целлотриозу и целлотетраозу, ученые выбрали для дальнейших экспериментов линию, содержащую этот транспортер.

При ферментации целлобиозы эта линия дрожжей дает выход этанола 86,3% от теоретически возможного. Это неплохой результат: например, при индустриальном методе выработки этанола с помощью обычных дрожжей, растущих на глюкозе, выход лишь ненамного больше — от 90 до 93%. Иными словами, новая дрожжевая линия — очень перспективная разработка. Помимо того, что она просто должна дать больше этанола на выходе, она еще существенно уменьшает возню с внеклеточными ферментами, которые «разжевывают» целлюлозу до глюкозных молекул, и снижает количество отходов после производства биотоплива. Остается только надеяться, что дальнейшие эксперименты с этой линией дрожжей нас не разочаруют.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Jonathan M. Galazka, Chaoguang Tian, William T. Beeson, Bruno Martinez, N. Louise Glass, Jamie H. D. Cate. Cellodextrin Transport in Yeast for Improved Biofuel Production. – Science. – 1 October 2010. – V. 330. – P. 84–86.

По материлам:

Источник(и):

1. elementy.ru