Kapibaros žarnyne aptikti fermentai gali paspartinti žemės ūkio pramonės atliekų panaudojimą

Kapibaros žarnyne aptikti fermentai gali paspartinti žemės ūkio pramonės atliekų panaudojimą

Gyvūnų virškinamajame trakte esantys mikroorganizmai gali turėti unikalių molekulinių strategijų šiai biomasei depolimerizuoti. Kreditas: Gabriela Felix Persinoti

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 (kurių sudėtyje yra lignino, hemiceliuliozės ir celiuliozės) sunku išardyti arba (techniškiau kalbant) nepatirti mikrobų ir fermentų skaidymo. .

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.

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 tyrimų krypčių tiria Brazilijos įvairovę, ieškant naujų mikrobų mechanizmų, kurie sumažina lignoceliuliozės atliekų perkaitimą. Pastebėjome, kad kapibara yra labai prisitaikęs žolėdis, galintis gauti energijos iš nepaklusnių augalų atliekų, ir kad ji nebuvo labai ištirta, “, – sakė Mário Tyago Murakami, LNBR mokslinis direktorius ir paskutinis straipsnio, kuriame pranešama apie tyrimą, paskelbtą m. Gamtos komunikacijos.

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

“Yra daugybė atrajotojų, ypač galvijų, tyrimų, tačiau informacijos apie vienagastrius žolėdžius gyvūnus yra gana mažai. Skirtingai nuo atrajotojų, kapibaros virškina žolę ir kitas augalines medžiagas aklojoje žarnoje, pirmoje storosios žarnos dalyje. Atsižvelgiant į jų labai efektyvų cukrų. konversija, ir dėl to, kad kapibaros Piračikabos regione [of São Paulo state] šerti cukranendres, be kitų augalų, pradėjome nuo 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.

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 lygiu. „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.

Kapibaros žarnyne aptikti fermentai gali paspartinti žemės ūkio pramonės atliekų panaudojimą

Scheminė diagrama, apibendrinanti tyrimo atradimus. Kreditas: Lucelia Cabral ir kt

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

Jie pradėjo sekvenuoti žymenų genus, šiuo atveju 16S, esančius visose bakterijose ir archėjose. “Šiuo pirmuoju sekvenavimu galėjome aptikti skirtumus tarp aklosios ir tiesiosios žarnos mėginių ir nustatyti pagrindinius juose esančius mikroorganizmus. 16S genas davė paviršutinišką atsakymą, kokių mikroorganizmų buvo ir kurių jų yra daugiau ar mažiau. tačiau nepasakė mums, kokius fermentus mikroorganizmai gamina arba kurie fermentai buvo jų genomuose“, – aiškino ji.

“Šiam tikslui naudojome kitą omikos techniką – metagenomiką. Pateikėme DNR iš visos kapibarų virškinimo trakto mikrobų bendruomenės didelio masto sekos nustatymui, gaudami didesnį duomenų kiekį. Naudodami daugybę bioinformatikos priemonių, buvome gali ne tik identifikuoti kiekviename mėginyje esančius genomus ir kiekvieno genomo genus, bet ir išsiaiškinti, kurie genai buvo nauji, o kurie mikroorganizmai niekada nebuvo aprašyti. depolimerizuoti biomasę ir paversti cukrų energija“.

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 išdėstyti 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 taip vadovaujamasi ieškant naujų genų, tačiau tik tada, kai galėjome eksperimentiškai parodyti šiuos rezultatus vėliau, galėjome 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 kelis fermentus ir biocheminius tyrimus, kad išsiaiškintume šių baltymų funkcijas ir jų veikimo vietą. Naudodami sinchrotroninę šviesą ir kitus metodus nustatėme baltymų atomines struktūras. Turėdami šią funkcinę ir struktūrinę informaciją, galėjome atlikti kitus eksperimentus, kad surastume. išsiaiškinti, kurie baltymų regionai buvo svarbūs jų veiklai, ir išanalizuoti molekulinius mechanizmus, kuriais grindžiamos jų funkcijos.

Murakami teigimu, dvigubas patvirtinimas užtikrino, kad naujos šeimos iš tikrųjų būtų įtrauktos. “Sekų, kurios teoriškai suformavo naujai atrastos šeimos visatą, rinkinyje atrinkome geną, kuris nėra labai panašus į anksčiau tyrinėtą. Geną susintetinome, išgryninome, apibūdinome biochemiškai ir parodėme, kad seka turi tą patį. funkcinės savybės kaip ir ankstesnės“, – 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. „Mums mūsų grupėje labai įdomu tyrinėti šį didžiulį Brazilijos biologinės įvairovės lobį, ypač norint suprasti, ką vadiname tamsiąja genomine medžiaga – šių sudėtingų mikrobų bendruomenių, kurių potencialas nežinomas, dalis. Mūsų centre yra puiki infrastruktūra šiam tikslui ir kartu su Mūsų partnerystė su valstybiniais universitetais leido atlikti konkurencinius tokio pobūdžio tyrimus Brazilijoje. Iš tikrųjų 99 % darbo nuo konceptualaus projektavimo iki vykdymo, analizės ir užrašymo buvo atlikta čia. Atsižvelgiant į didžiulį Brazilijos biologinės įvairovės turtingumą , buvo galima tikėtis, kad turėsime sąlygas ir galimybes daryti tokius didelio poveikio atradimus, kaip šie.


Tyrimai rodo, kaip genetika gali prisidėti prie 2G etanolio gamybos pažangos


Daugiau informacijos:
Lucelia Cabral ir kt., Didžiausių gyvų graužikų žarnyno mikrobiomas turi precedento neturinčias fermentines sistemas, kurios skaido augalų polisacharidus, Gamtos komunikacijos (2022). DOI: 10.1038 / s41467-022-28310-y

Citata: Kapibarų žarnyne aptikti fermentai gali paspartinti žemės ūkio pramonės atliekų panaudojimą (2022 m. gegužės 2 d.), gauta 2022 m. gegužės 2 d. iš https://phys.org/news/2022-05-enzymes-capybara-gut-agroindustrial.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.

Leave a Comment

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