Kapibaros pilvas gali padėti vystytis biokurui

Microorganisms present in the animal’s digestive tract might have unique molecular strategies to depolymerize this biomass

Žemės ūkio pramonės atliekų pavertimas visuomenę dominančiomis molekulėmis, tokiomis kaip biokuras ir biochemikalai, yra vienas iš būdų sumažinti priklausomybę nuo naftos ir kito iškastinio kuro. Brazilija, kuri yra viena didžiausių biomasės gamyklų gamintojų pasaulyje, yra gerai pasirengusi vadovauti šiam perėjimui, tačiau lignoceliuliozės žaliavas (kuriose yra lignino, hemiceliuliozės ir celiuliozės) sunku išardyti arba (techniškiau kalbant) jos nepalankios mikrobų ir fermentų skaidymui. .

Brazilijos mokslininkai tyrinėja gamtą, kad išsiaiškintų, kaip strategijos, skirtos padidinti cukrų, kurių yra šiose medžiagose, gali pagerinti jų depolimerizaciją. Campinas mieste (San Paulo valstija) Brazilijos biorenewables nacionalinės laboratorijos (LNBR), Brazilijos energijos ir medžiagų tyrimų centro (CNPEM) padalinio, tyrimų grupė atliko tarpdisciplininį tyrimą, kuriame dalyvavo omika (genomika, proteomika, metabolomika, ir kt.) ir sinchrotrono šviesą, ir atrado dvi naujas fermentų šeimas, turinčias biotechnologinį potencialą, kurias gamina mikroorganizmai kapibarų žarnyne. CNPEM yra privati ​​ne pelno organizacija, kurią prižiūri Mokslo, technologijų ir inovacijų ministerija (MCTI).

Abi fermentų šeimos veikia augalų ląstelių sienelių komponentus, todėl gali būti naudojamos biokurui, biocheminėms medžiagoms ir biomedžiagoms gaminti. Vienas iš jų taip pat gali būti pritaikytas pieno pramonėje, nes skatina laktozės skaidymą.

„Viena iš mūsų mokslinių tyrimų krypčių tiria Brazilijos įvairovę, siekdama naujų mikrobų mechanizmų, kurie sumažina lignoceliuliozės atliekų perteklių. Pastebėjome, kad kapibara yra labai prisitaikęs žolėdis, galintis gauti energijos iš nepaklusnių augalų atliekų, ir kad ji nebuvo daug ištirta “, – sakė M Tyrio Tyago Murakami, LNBR mokslinis direktorius ir paskutinis straipsnio, kuriame pranešama apie tyrimą, paskelbtą Gamtos komunikacijos.

Kapibara (Hydrochoerus hydrochaeris) yra didžiausias pasaulyje gyvas graužikas ir labai efektyviai paverčia augaluose esantį cukrų į energiją, nors kai kur jo nemėgsta, nes gali apsigyventi erkė, pernešanti Brazilijos dėmėtąją karštligę – retą, bet labai mirtiną infekcinę ligą, kurią sukelia bakterija. Rickettsia rickettsii.

„Yra daugybė atrajotojų, ypač galvijų, tyrimų, tačiau informacijos apie vienagastrinius žolėdžius yra gana menka. Skirtingai nuo atrajotojų, kapibaros virškina žolę ir kitas augalines medžiagas aklojoje žarnoje, pirmoje storosios žarnos dalyje. Atsižvelgiant į jų labai efektyvų cukraus konversiją ir dėl to, kad kapibaros yra Piračikabos regione [of São Paulo state] maitinti cukranendrėmis, be kitų augalų, pradėjome iš hipotezės, kad mikroorganizmai, esantys gyvūnų virškinamajame trakte, gali turėti unikalių molekulinių strategijų depolimerizuoti šią Brazilijos pramonei labai svarbią biomasę“, – sakė LNBR bioinformatikos tyrinėtoja Gabriela Felix Persinoti. ir atitinkamas straipsnio autorius.

Tyrimą parėmė FAPESP per teminį projektą ir podoktorantūros stipendiją, suteiktą Marianai Abrahão Bueno de Morais.

Nauja metodika

Tyrime taikytas tarpdisciplininis metodas apėmė multiomiką (genomika, transkriptomika ir metabolomika, naudojama apibūdinti kapybaros žarnyno mikrobiotos molekulinius aspektus) ir bioinformatiką, taip pat CNPEM dalelių greitintuvus, kad būtų galima analizuoti atrastus fermentus atominiu lygmeniu. „Negaliu prisiminti jokių tyrimų, kuriuose būtų sujungti visi šie metodai, įskaitant sinchrotroninės šviesos naudojimą [a source of extremely bright electromagnetic radiation that helps scientists observe the inner structures of materials]“, – sakė Murakami. „Šiame tyrime mūsų analizė apėmė visą kelią nuo mikrobų bendruomenės iki tam tikrų baltymų atominės struktūros.

Mokslininkai išanalizavo mėginius, paimtus iš trijų kapibarų patelių aklosios ir tiesiosios žarnos, 2017 m. eutanazuotų Tatuí (San Paulo valstija) pagal vietinę kapibarų populiacijos kontrolės politiką. Gyvūnai nebuvo nei nėščii, nei užsikrėtę R. rickettsii.

„Aklosios žarnos ir tiesiosios žarnos mėginiai buvo paimti pilvo chirurgijos būdu. Medžiaga buvo užšaldyta skystame azote. DNR ir RNR mėginiai buvo ekstrahuoti laboratorijoje ir atlikti didelio masto sekos nustatymui naudojant integracinę omiką “, – sakė Persinoti.

Šiuo atveju jie pradėjo nuo žymenų genų sekos nustatymo 16S, esančios visose bakterijose ir archėjose. „Su šiuo pirmuoju sekvenavimu galėjome aptikti skirtumus tarp aklosios ir tiesiosios žarnos mėginių ir nustatyti pagrindinius juose esančius mikroorganizmus. Genas 16S davė paviršutinišką atsakymą, kokių mikroorganizmų buvo ir kurių daugiau ar mažiau gausu, tačiau nepasakė, kokius fermentus mikroorganizmai gamina ar kokių fermentų yra jų genomuose“, – aiškino ji. „Šiam tikslui panaudojome kitą omikos techniką – metagenomiką. Mes pateikėme DNR iš visos kapibarų virškinimo trakto mikrobų bendruomenės didelio masto sekos nustatymui, gaudami didesnį duomenų kiekį. Naudodami daugybę bioinformatikos priemonių, galėjome ne tik nustatyti kiekviename mėginyje esančius genomus ir kiekvieno genomo genus, bet ir išsiaiškinti, kurie genai buvo nauji, o kurie mikroorganizmai niekada nebuvo aprašyti. Tokiu būdu galėjome numatyti genų, galinčių padėti depolimerizuoti biomasę ir paversti cukrų energija, funkcijas.

Tyrėjai taip pat norėjo sužinoti, kurie mikroorganizmai buvo aktyviausi tuo metu, kai buvo paimti mėginiai – kitaip tariant, kokius genus mikroorganizmai iš tikrųjų išreiškė. Šiuo tikslu jie naudojo metatranskriptomiką, kurios žaliava yra RNR. „Kitas metodas, kurį naudojome, buvo metabolomika, siekiant patvirtinti, kuriuos metabolitus mikroorganizmai gamina“, – sakė Persinoti. „Sujungę visą šią informaciją iš omikos, bioinformatikos ir faktinės bei galimos genų ekspresijos, sugebėjome iššifruoti žarnyno mikroorganizmų vaidmenį siekiant tokio labai efektyvaus augalų skaidulų konversijos ir išsiaiškinti, kurie genai buvo įtraukti į šį procesą.

Tada jie išanalizavo visus šiuos duomenis, kad nustatytų genus, galinčius atlikti pagrindinį vaidmenį mažinant augalų skaidulų nenuoseklumą, daugiausia dėmesio skirdami iki šiol nežinomiems tikslams. “Atrankos strategija buvo sutelkta į naujus genomus, kuriuose yra daug genų, dalyvaujančių augalų biomasės depolimerizacijoje”, – sakė Persinoti. „Mes matėme, kaip šie genai buvo organizuoti mikroorganizmų genomuose, ir pasinaudojome šia informacija, kad išsiaiškintume, ar netoliese yra nežinomų funkcijų genų, kurie gali būti susiję su nepaklusnių augalų skaidulų skilimu. Tai svarbu, nes ji vadovaujasi ieškant naujų genų, tačiau tik tada, kai galėjome eksperimentiškai parodyti šiuos rezultatus vėliau, galime nustatyti šių naujų fermentų šeimų sukūrimą.

Nustačius šiuos kandidatus, jie perėjo prie biocheminio jų funkcijų demonstravimo. “Mes susintetinome genus in vitro ir išreiškėme juos naudodami bakteriją, kad gautume atitinkamus baltymus”, – sakė Persinoti. Atlikome keletą fermentų ir biocheminių tyrimų, kad išsiaiškintume šių baltymų funkcijas ir jų veikimo vietą. Mes nustatėme baltymų atomines struktūras naudodami sinchrotroninę šviesą ir kitus metodus. Turėdami šią funkcinę ir struktūrinę informaciją, galėjome atlikti kitus eksperimentus, kad išsiaiškintume, kurie baltymų regionai buvo labai svarbūs jų veiklai, ir išanalizuoti molekulinius mechanizmus, kuriais grindžiamos jų funkcijos.

Murakami teigimu, dvigubas patvirtinimas užtikrino, kad naujos šeimos iš tikrųjų būtų įtrauktos. Mes pasirinkome geną, kuris nėra labai panašus į tą, kurį anksčiau tyrinėjome, rinkinyje, kuris teoriškai suformavo naujai atrastos šeimos visatą. Mes susintetinome geną, išgryninome jį, biochemiškai apibūdinome ir parodėme, kad seka turi tas pačias funkcines savybes kaip ir ankstesnė“, – aiškino jis. “Kitaip tariant, mes apibūdinome antrąjį naujosios šeimos narį, kad būtume visiškai tikri, kad šie baltymai iš tikrųjų sudaro naują šeimą.”

Nauji fermentai ir kokteiliai

Persinoti atskleidė, kad viena iš naujai atrastų šeimų, vadinama GH173, gali būti pritaikyta maisto pramonėje, o kita, vadinama CBM89, yra susijusi su angliavandenių atpažinimu ir gali palengvinti antrosios kartos etanolio gamybą iš cukranendrių cukranendrių ir šiaudų.

Tyrėjai taip pat kuria fermentų kokteilius su fermentų hiperprodukcijos grybais, o naujai atrasti fermentai gali būti natūraliai įtraukti į šias grybelių platformas. „Naujų fermentų šeimų atradimas gali būti integruotas su technologijų perdavimu, siekiant paremti inovacijas“, – sakė Murakami. „Mūsų grupėje mes labai suinteresuoti tyrinėti šį didžiulį Brazilijos biologinės įvairovės lobį, ypač norėdami suprasti, ką vadiname tamsiąja genomine medžiaga – šių sudėtingų mikrobų bendruomenių, kurių potencialas nežinomas, dalis. Mūsų centras turi puikią infrastruktūrą šiam tikslui ir kartu su mūsų partnerystėmis su valstybiniais universitetais tai leido Brazilijoje atlikti konkurencingus tokio pobūdžio tyrimus. Iš tiesų, čia buvo atlikta 99 % darbo nuo konceptualaus dizaino iki vykdymo, analizės ir užrašymo. Atsižvelgiant į didžiulį Brazilijos biologinės įvairovės turtingumą, buvo galima tikėtis, kad turėsime sąlygas ir pajėgumus tokiems didelio poveikio atradimams, kaip šie.

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *