Американские и израильские биотехнологи в режиме реального времени проследили за тем, как ферменты грибов и бактерий разлагают волокна целлюлозы – основы растительной биомассы, и пришли к выводу, что грибы справляются с этой задачей быстрее и эффективнее, чем их конкуренты.
На сегодняшний день биологи вывели несколько штаммов кишечной палочки и других бактерий, способных превращать растительное сырье или другую органику в биотопливо.
Во многих случаях исследователи добивались успеха, однако в подавляющем числе случаев эффективность таких бактериальных “мануфактур” намного ниже минимально допустимых значений для их коммерческого применения.
Группа ученых под руководством Ши-Ю Дина из Национальной лаборатории возобновляемой энергии в городе Голден (США) проследила за тем, как грибы разлагают волокна целлюлозы, и опубликовала результаты своей работы в статье в журнале Science.
Как отмечают биотехнологи, грибы принадлежат к небольшому и закрытому “клубу” организмов, способных разлагать целлюлозу – основной компонент древесины, не прибегая к помощи бактерий.Геном грибов содержит в себе “инструкции” по синтезу ряда уникальных ферментов, способных расщеплять макромолекулы целлюлозы на относительно короткие цепочки.
Дин и его коллеги предположили, что эти вещества могут поспорить в эффективности с аналогичными расщепителями целлюлозы, которые используют “топливные” бактерии. Они проверили эту гипотезу при помощи особого набора из нескольких электронных микроскопов, позволявших следить за реакциями разложения целлюлозы в режиме реального времени.
В качестве подопытных ученые избрали двух представителей соперничающих царств живых существ – бактерию Clostridium thermocellum и гриб Trichoderma reesei. По словам биологов, эти организмы придерживаются совершенно разные стратегии разложения целлюлозы.
Так, бактерии используют для расщепления ее молекул целлюлосому – набор из нескольких взаимодействующих белков, а грибы – несколько небольших и независимых друг от друга молекул ферментов-целлюлаз.
Авторы статьи проверили их работу в действии, испытав экстракты ферментов бактерий и грибка на кусочках растительной биомассы. Образцы целлюлозы отличались друг от друга по степени обработанности – часть из них содержала в себе “несъедобный” лигнин, тогда как в других его нити были удалены из кусочков растений. В других случаях ученые наблюдали за взаимодействием ферментов с синтетической целлюлозой, представляющей собой беспорядочную смесь из ее макромолекул.
Как и ожидали исследователи, ферменты грибов и бактерий плохо справлялись с разложением образцов целлюлозы со значительными вкраплениями волокон лигнина. По словам авторов статьи, даже “убойные” концентрации экстрактов не разлагали целлюлозу полностью за семь дней эксперимента.
С другой стороны, в чистых кусочках растительной биомассы наблюдалась совершенно иная картина – грибной экстракт быстрее всего разлагал целлюлозу на меньшие фрагменты. Как утверждают ученые, грибные целлюлазы примерно в пять раз быстрее расщепляли цепочки биополимера, чем это делали их бактериальные конкуренты.
По словам ученых, подобные ферменты могут в теории достичь практически 100% разложения биомассы, в том случае, если она не будет содержать лигнина. Как считают Дин и его коллеги, источником такого сырья могут стать генетически модифицированные растения, идеально подходящие на роль биомассы.
