Грибы помогают дрожжам гнать спирт из травы
Вместе с генами древесных грибов ученые передали пекарским дрожжам умение перерабатывать сложные сахара. Переобученные дрожжи смогут производить этанол из разнообразного растительного сырья.
Пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae ) сбраживают сахар с образованием этанола – этот процесс помимо выпечки хлеба и производства алкоголя можно использовать для получения биотоплива. Дрожжи не умеют перерабатывать целлюлозу, поэтому для биоэтанола годится только сахаросодержащее сырье, например, зерно или сахарная свекла, но не растительная биомасса. Ученые из Калифорнийского университета в Беркли (University of California, Berkeley) попробовали решить эту задачу. Они попытались научить дрожжи разлагать сложные сахара с помощью других грибов.
Растительная клеточная стенка построена из целлюлозы – полимера глюкозы. Но добыть из нее глюкозу непросто. Сначала ферменты целлюлазы должны расщепить целлюлозу до олигомерных сахаров целлодекстринов – это называется сахаризацией, а затем сахара нужно подвергнуть фермертации, или брожению. Целлодекстрины состоят из двух (целлобиозы), трех (целлотриозы) или четырех (целлотетрозы) молекул глюкозы. Но пекарские дрожжи работают только с мономерной глюкозой.
Одни грибы поделились генами с другими грибами
Питаться целлодекстринами могут грибы, живущие на растениях, такие как нейроспора густая (Neurospora crassa). Но нейроспора не может производить этанол. А для того, чтобы разлагать сложные сахара, у нее, имеется внутриклеточный фермент β-глюкозидаза и система белков-переносчиков сложных сахаров. Эти переносчики захватывают целлодекстрины и переносят их через мембрану внутрь клетки.
Ученые провели полногеномный анализ нейроспоры, чтобы выделить гены переносчиков сахаров (cdt) и ген β-глюкозидазы (ghl). Они же работают и у других живущих на растительном субстрате грибов. Когда биологи лишили нейроспору этих генов, она не смогла перерабатывать целлодекстрины.
Дрожжам расширили рацион
Джонатан Галазка (Jonathan M. Galazka) и его коллеги создали шесть линий дрожжей, каждая из которых несет ген одного переносчика сахаров плюс ген β-глюкозидазы. Они смогли проследить за тем, как гены работают и синтезируют соответствующие белки в клетках дрожжей, поскольку пометили их зеленым флуоресцирующим белком (GFP).
Трансгенные дрожжи проверили в работе. Наиболее эффективными оказались две линии – с белками-переносчиками CDT-1 и CDT-2, они росли на субстрате с целлодекстринами и продуцировали этанол. Одна линия, несущая гены cdl-1 и ghl-1, на субстрате с целлобиозой, вырабатывала 86,3% этанола от теоретически возможного. Эта цифра близка к продуктивности промышленных дрожжей, которые гонят этанол из глюкозы с эффективностью 90-93%.
Исследователи надеются, что трансгенные дрожжи можно будет применить в промышленном масштабе. Это позволит использовать для производства биотоплива разное сырье, в том числе древесину, и упростит процесс, так как не надо будет добавлять β-глюкозидазу в биомассу. Это сделает биотопливо более рентабельным.
Стаья про искусственную мутацию дрожжей опубликована в Science Express.