Новая линия дрожжей производит биотопливо эффективнее

Клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae под дифференциальным интерференционно-контрастным микроскопом. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae под дифференциальным интерференционно-контрастным микроскопом. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

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.

Работа дрожжей, содержащих транспортер для целлодекстринов и внутриклеточную бета-галактозидазу. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
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.

Источник: 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.

Вера Башмакова


15
Показать комментарии (15)
Свернуть комментарии (15)

  • Вячеслав Рогожин  | 13.10.2010 | 06:51 Ответить
    Надо бы "запрограммировать" несколько съедобных растений на устойчивость их к таким дрожжам. Пока не поздно...
    Ответить
    • VerBa > Вячеслав Рогожин | 13.10.2010 | 12:37 Ответить
      Ну, это Вы правы, конечно, что с такими вещами надо быть поосторожнее. Но в данном конкретном случае все не так плохо - эта линия ведь не на целлюлозе растет, а на целлодекстринах, которые просто так на дороге не валяются, их еще получить надо.
      Ответить
      • Вячеслав Рогожин > VerBa | 15.10.2010 | 19:52 Ответить
        Я иронизирую:) А так - штука действительно достойная.
        Ответить
    • Rattus > Вячеслав Рогожин | 13.10.2010 | 18:31 Ответить
      Кроме наличия питательного субстрата любому организму кагбе еще и другие условия нужны для жизнедеятельности, типа температуры, pH, концентрации солей в определенном диапазоне.
      И еще победить в конкурентной борьбе с теми, кто уже обитает в этой эконише (в данном случае - с нормальной микрофлорой растения) и факторами резистентности хозяина.

      Организм-уберпожиратель невозможен. Даже в отношении одного отдела (в данном случае - покрытосеменных).
      Ответить
      • VerBa > Rattus | 13.10.2010 | 22:08 Ответить
        Ну, вот кого наши гипердрожжи на самом деле могут потеснить - так это обычные дрожжи. Может, это когда-то и превратится в проблему.
        Ответить
        • Rattus > VerBa | 14.10.2010 | 15:32 Ответить
          А может наоборот? Сбраживание будет происходить быстрее и полнее.
          Ответить
          • VerBa > Rattus | 15.10.2010 | 03:15 Ответить
            Для биотоплива лучше, и для самогоноварения. А вот для хлебопекарной промышленности...
            Ответить
            • Rattus > VerBa | 21.10.2010 | 16:30 Ответить
              AFAIK, механические (и вкусовые) качества хлебобулочных изделий определяются не столько клетчаткой, сколько клейковиной - белковой составляющей.
              Ответить
              • VerBa > Rattus | 21.10.2010 | 18:46 Ответить
                Ну, вкус хлеба много от чего зависит, но я даже не о том. Просто технология выработки хлеба отточена веками до мелочей, и если появятся дрожжи-монстры, которые вытеснят обычные, то всю эту технологию придется менять.
                Ответить
  • Alexandr_A  | 15.10.2010 | 00:25 Ответить
    Почему расщепление целлюлозы серной кислотой даже не упомянули.
    Может оно устарело, и нерентабельно?
    Ответить
    • VerBa > Alexandr_A | 15.10.2010 | 03:14 Ответить
      Ну, во-первых, представим себе объем биомассы - он огромен, и кислоты на него не напасешься (к тому же, кислота - "экологически грязная" и получать ее "экологически грязно", а это нынче не модно. Плюс - капризные дрожжи в серной кислоте работать вряд ли согласятся). Поэтому производить топливо лучше с помощью культур живых организмов - они-то самовозобновляются. Другое дело, что конкретно целлюлозу мало кто расщепляет, поэтому тут главная проблема - как расщепить целлюлозу (пока - с помощью ферментов), чтобы она была съедобна для дрожжей. Ну вот ребята и постарались, и сделали длинную лестницу расщепления на ступеньку короче.
      Ответить
  • Oleg.Nosov  | 16.10.2010 | 00:56 Ответить
    Не могу понять, почему занялись нейроспорами, а не флорой, имеющейся у жвачных животных и термитов, например. Не проще было взять гены оттуда? Ведь коровы переваривают целлюлозу вполне успешно.
    А так всё равно ещё надо как-то предварительно разваливать целлюлозу на целлодекстрины - такими ненавистными внешними ферментами.
    Ответить
    • VerBa > Oleg.Nosov | 16.10.2010 | 10:57 Ответить
      Ну, симбионты жвачных тоже используют внешние ферменты - все-таки транспортировать длиннющую целлюлозную нить в маленькую бактерию затруднительно. Можно, конечно, научить дрожжи эти ферменты самим выделять, но тогда это уже будут дрожжи-терминаторы, небезопасная штука:)
      Ответить
      • Rattus > VerBa | 21.10.2010 | 17:01 Ответить
        По поводу небезопасности я сомнения уже высказал выше.

        Думаю, тут важнее аспект экономии: для клетки гораздо дешевле реализовать внутреннее пищеварение, чем разбрасываться в среду ценными полипептидами: ненужные ферменты можно тут же разобрать обратно на аминокислоты, а выброшенное в среду, во первых нужно еще собрать обратно: это, во-первых, дополнительные энергозатраты на активный транспорт, а во-вторых, никогда не будет абсолютно эффективно (что-то все равно потеряется да еще и загрязнит получаемый продукт).
        В отношении эукариот это особенно актуально: у них есть архитектурные возможности (эндоцитоз) для реализации такого механизма.
        Хотя если организм-шасси - гриб, то вылезает еще одна толстая проблема - клеточная стенка, которая, во первых, сделает невозможным эндоцитоз всего, что само не пролезет через ячейки стенки, а во вторых также экранирует мембранофиксированные ферменты, если пойти по этому пути.
        Тогда придется лишать дрожжей клеточной стенки и учить фагоцитозу, но тогда для них еще придется поддерживать изоосмолярную среду, либо добавлять сократительную вакуоль.
        Тогда может вообще лучше сразу перейти на простейших и им добавить гены "целлюлазного пути" от грибов?
        Ответить
        • VerBa > Rattus | 21.10.2010 | 18:38 Ответить
          Я подозреваю, что для производства биоэтанола будут использовать дрожжи, а не что-либо другое - просто потому, что они изучены лучше всех других кандидатов, и не придется тратиться на дополнительные исследования.
          Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»