Naujai atrastas fermentas gali padėti panaudoti žemės ūkio pramonės atliekas

Particle Quantum Physics Concept

Brazilijos mokslininkai atrado, apibūdino ir patvirtino dviejų naujų fermentų šeimų, turinčių biotechnologinį potencialą, funkcijas.

Vienas iš būdų sumažinti priklausomybę nuo naftos ir kito iškastinio kuro yra žemės ūkio pramonės atliekas paversti visuomenei svarbiomis molekulėmis, tokiomis kaip biokuras ir biochemikalai. Brazilija yra gerai pasirengusi vadovauti šiam pokyčiui, būdama viena iš pagrindinių pasaulio augalų biomasės gamintojų, tačiau lignoceliuliozės žaliavas (kuriose yra lignino, hemiceliuliozės ir celiuliozės) sunku išardyti arba (techniškiau tariant) jos nepalankios mikrobų ir fermentų skaidymui. .

Brazilijos mokslininkai gamtoje ieško užuominų, kaip pagerinti šių medžiagų depolimerizaciją padidinant jose esančių cukrų prieinamumą. Brazilijos biologinių atsinaujinančių išteklių nacionalinės laboratorijos (LNBR), Brazilijos energijos ir medžiagų tyrimų centro (CNPEM) padalinio, tyrimų grupė Kampinas mieste atliko tarpdisciplininį tyrimą, kuriame dalyvavo omika (genomika, proteomika, metabolomika ir kt.) ir sinchrotroninė šviesa. (Taigi Paulo valstija) 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.

Kapibaros žarnyno mikroorganizmai

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

„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 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 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] 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.

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.[{” attribute=””>DNA and RNA samples were extracted in the laboratory and submitted to large-scale sequencing using integrative omics,” Persinoti said.

They began by sequencing marker genes, in this case 16S, present in all bacteria and archaea. “With this first sequencing, we were able to detect differences between the cecal and rectal samples and to identify the main microorganisms in them. The gene 16S gave us a superficial answer as to which microorganisms were present and abundant to a greater or lesser extent, but didn’t tell us which enzymes the microorganisms produced or which enzymes were present in their genomes,” she explained. “For this purpose, we used another omics technique, metagenomics. We submitted DNA from the entire microbial community in the capybaras’ gastrointestinal tract to large-scale sequencing, obtaining a larger amount of data. By deploying an array of bioinformatics tools, we were able not only to identify the genomes present in each of the samples, and the genes in each of the genomes, but also to find out which genes were new and which microorganisms had never been described. In this manner, we were able to predict the functions of the genes that had the potential to help depolymerize biomass and convert sugar into energy.”

The researchers also wanted to know which microorganisms were most active at the time the samples were collected – in other words, which genes the microorganisms were actually expressing. To this end, they used metatranscriptomics, for which the raw material is RNA. “Another technique we used was metabolomics, to confirm which metabolites the microorganisms were producing,” Persinoti said. “Combining all this information from omics, bioinformatics, and actual and potential gene expression, we were able to decipher the role of gut microorganisms in achieving such highly efficient conversion of plant fibers and to find out which genes were involved in the process.”

They then analyzed all this data to identify genes that could play a key role in reducing plant fiber recalcitrance, focusing mainly on hitherto unknown targets. “The selection strategy focused on novel genomes with an abundance of genes involved in plant biomass depolymerization,” Persinoti said. “We saw how these genes were organized in the genomes of the microorganisms, and leveraged this information to find out whether there were nearby genes with unknown functions that might be involved in breaking down recalcitrant plant fiber. This is important because it guides the search for novel genes, but only when we were able to demonstrate these results experimentally at a later stage could we establish the creation of these novel families of enzymes.”

Having identified these candidates, they moved on to a biochemical demonstration of their functions. “We synthesized the genes in vitro and expressed them using a bacterium to produce the corresponding proteins,” Persinoti said. “We performed several enzyme and biochemical assays to discover the functions of these proteins and where they acted. We determined the proteins’ atomic structures using synchrotron light and other techniques. With this functional and structural information, we were able to do other experiments to find out which regions of the proteins were critical to their activity and analyze the molecular mechanisms underlying their functions.”

According to Murakami, dual validation ensured that novel families were indeed involved. “We selected a gene not very similar to one we had studied previously in the set of sequences that theoretically formed the universe of a newly discovered family. We synthesized the gene, purified it, characterized it biochemically, and showed that the sequence had the same functional properties as the previous one,” he explained. “In other words, we characterized a second member of the new family in order to be absolutely sure these proteins did indeed constitute a novel family.”

Novel enzymes and cocktails

According to Persinoti, one of the newly found families, GH173, has potential uses in the food sector, while another, CBM89, is related with carbohydrate recognition and might help with the manufacturing of second-generation ethanol from sugarcane bagasse and straw.

The researchers are also developing enzyme cocktails with enzyme-hyperproducing fungi, and the newly discovered enzymes could naturally be included in these fungal platforms. “The discovery of novel enzyme families can be integrated with the transfer of technology to support innovation,” Murakami said. “In our group, we’re very interested in exploring this great Brazilian biodiversity treasure, particularly to understand what we call dark genomic matter – parts of these complex microbial communities with unknown potential. Our center has excellent infrastructure for this purpose and, together with our partnerships with public universities, this has enabled competitive research of this kind to be done in Brazil. Indeed, 99% of the work, from conceptual design to execution, analysis and writing up, was done here. Given the immense richness of Brazilian biodiversity, it was only to be expected that we would have the conditions and capabilities to make high-impact discoveries such as these.”

Reference: “Gut microbiome of the largest living rodent harbors unprecedented enzymatic systems to degrade plant polysaccharides” by Lucelia Cabral, Gabriela F. Persinoti, Douglas A. A. Paixão, Marcele P. Martins, Mariana A. B. Morais, Mariana Chinaglia, Mariane N. Domingues, Mauricio L. Sforca, Renan A. S. Pirolla, Wesley C. Generoso, Clelton A. Santos, Lucas F. Maciel, Nicolas Terrapon, Vincent Lombard, Bernard Henrissat and Mario T. Murakami, 2 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28310-y

Leave a Comment

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