Ферменты. Фото сайта elementy.ru
ScienceDaily (26 марта 2009) — Исследователи Калифорнийского Института Технологии (Caltech) и всемирно известная компания DNA2.0 в области генной инженерии сделали важный шаг в развитии эффективного по стоимости процесса, для извлечения сахара из целлюлозы растений, которая является самым производительным органическим веществом и самой дешевой формы сохранения солнечной энергии. Сахар растения может легко преобразован в различные возобновимые топлива, например, в этанол или бутанол.
В отчете, изданном на этой неделе в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences , Франциски Х. Арнольд, Профессор Дика и Барбара Дикайнсон Химической технологии и Биохимии в Caltech, и ее коллеги сообщают о строительстве 15 новых очень устойчивых грибковых катализаторов фермента, которые эффективно разрушают целлюлозу до сахара при высоких температурах. Предварительно, меньше чем 10 таких грибковых целлюлаз II ферментов были известны. В дополнение к их замечательном устойчивости, ферменты Арнольда разрушают целлюлозу в широком диапазоне условий.
Биотопливо может быть получено, конверсией возобновимых материалов - например, зерна, деревянной щепы от целлюлозно-бумажного производства, многолетних трав, и даже мусора - в топливо и вещества. Большинство биотоплива, используемого сегодня получено от брожения крахмала из зерна. Этот процесс,несмотря на его простоту, является дорогостоящим, из-за высокой цены зерна.
Сельскохозяйственные отходы, типа соломы (листья, стебли, и лишенные зерна растения, после сбора урожая), дешевы. Эти материалы в значительной степени состоят из целлюлозы, главного компонента оболочки клетки растения. Целлюлоза намного более жестка, для расщепления, чем крахмал. Дополнительная сложность состоит в том, что реакция брожения, которая разрушает потребности крахмала зерна только один фермент, деградация целлюлозы, требует целого набора ферментов, или целлюлаз, работающих вместе.
Целлюлазы, в настоящее время используемые в промышленности, все из которых были изолированы от различных разновидностей распадающих растением волокнистых грибов, являются и медленными и непостоянными, и, в результате процесс остается предельно дорогим. "Даже двухкратное уменьшение их стоимости могло сделать большое различие для экономики возобновимых топлив и веществ," говорит Арнольд.
Арнольд и ученый Пит Хеинзелман Caltech создали 15 новых ферментов, используя процесс, названный управляемой структурой перекомбинацией. Используя компьютерную программу для проектирования, где гены повторно объединяются, исследователи Caltech "соединяли" последовательности трех известных грибковых целлюлаз, чтобы сделать больше чем 6 000 последовательностей потомства, которые отличались от любого из родителей, все же закодированные белки с той же самой структурой и способностью деградации целлюлозы.
Анализируя ферменты, закодированные маленьким подмножеством тех последовательностей, Caltech и исследователи DNA2.0 были в состоянии предсказать, какой из больше чем 6 000 возможных новых ферментов будет самым устойчивым, особенно под более высокими температурами (особенность, названная термостабильностью).
Термостабильность - требование для эффективного применения целлюлаз, потому что при более высоких температурах, например, 70 или даже 80 градусов Цельсия химические реакции более быстры. Кроме того, целлюлоза раздувается в более высоких температурах, что облегчает разрушение. К сожалению, известная природная целлюлаза не сможет функционировать при температурах выше чем 50 градусов Цельсия.
"Ферменты, которые являются очень теплоустойчивыми также, имеют тенденцию работать в течение долгого времени, даже в более низких температурах," говорит Арнольд. "И, более длинные ферменты разрушают больше целлюлозы, понижая стоимость биотоплива."
Используя машинно-генерируемые последовательности, соавтор Джереми Миншулл и коллеги от DNA2.0 Парка Менло, Калифорнии, синтезировали фактические последовательности ДНК, которые были переданы в дрожжи в лаборатории Арнольда. Дрожжи произвели ферменты, которые были тогда проверены на их целлюлозоразрушающую способность и эффективность. Каждая из 15 новых целлюлаз как сообщается в отчете PNAS, была более устойчива, работала при значительно более высоких температурах (70 - 75 градусов Цельсия), и разрушала больше целлюлозы, чем родительские ферменты при этих же температурах.
"Это - действительно хорошая демонстрация успеха инженерной биологии," говорит Арнольд. "Вы можете быстро произвести новые, интересные биологические материалы в лаборатории, и Вы не должны полагаться на то, что Вы находите в природе. Мы только послали по электронной почте последовательности DNA2.0, основанные на том, что мы вышли из базы данных и нашего проекта перекомбинации, и они синтезировали ДНК. Мы не добывали ДНК из организмов. Мы никогда не касались грибов."
Затем, исследователи планируют использовать управляемый структурой процесс перекомбинации для каждой из дюжины целлюлаз, которые составляет смесь ферментов, требуемых для индустриальной деградации целлюлозы. "Мы демонстрировали процесс на одном из компонентов. Теперь мы должны создать семьи всех других компонентов, и затем искать идеальные смеси для каждого индивидуального применения," говорит Арнольд, с окончательной целью создания эффективного стоимостью рецепта для целлюлозного биотоплива.
"Если Вы думаете об этом, энергия - самая большая промышленность есть," говорит Арнольд. "Если мы можем заменить иностранную нефть возобновимым биотопливом, это - огромный вклад. И эта замена медленная сейчас, только потому что эти ферменты слишком дороги."
Прочитать отчет можно на сайте www.pnas.org
|
