Badacze bioetanolu na tropie nowych enzymów
Lignoceluloza składa się z kompleksu polimerów węglowodanowych (celuloza i hemiceluloza) ściśle związanych z ligniną, która w pierwszej kolejności jest dzielona na znacznie prostsze cząsteczki cukru, zanim przejdzie proces fermentacji do postaci bioetanolu. Jednak gęsto ubita struktura lignocelulozy jest niezwykle odporna na rozkład przez enzymy, co stwarza trudności w wykorzystaniu jej do produkcji bioetanolu. To właśnie stanowiło wyzwanie, z jakim zmierzył się zespół projektu DISCO, który zbadał nowe enzymy odpowiadające za rozkład lignoceluloz oraz pracę tych enzymów. Naukowcy wybrali słomę pszenną, otręby pszenne, kolby kukurydzy i świerczynę jako źródło łatwo dostępnej biomasy lignocelulozowej. Opracowano metody obróbki wstępnej, które miały zwiększyć wrażliwość materiału wsadowego na działanie enzymów poprzez zmodyfikowanie zarówno struktury, jak i składu chemicznego badanej biomasy. Składniki stałe lignocelulozy pozostałe po obróbce wstępnej poddano hydrolizie przy użyciu enzymów, a osady pohydrolizowe analizie chemicznej i mikroskopowej. Rozmaite drobnoustroje odpowiadają za rozkład biomasy roślinnej i dostarczają potężnego źródła enzymów do skutecznego rozkładu celulozy i hemicelulozy w cukry fermentujące. Partnerzy projektu wykorzystali trzy różne strategie do identyfikacji odpowiednich mikroorganizmów: funkcjonalne badanie przesiewowe pod kątem kultur grzybiczych, pod kątem bibliotek metagenomicznych oraz in silico pod kątem genomów grzybiczych. Badaniom przesiewowym zostało poddanych około 700 szczepów grzybów, spośród których 70% było nowymi izolatami gleby. Analiza mieszanki enzymów grzybów została poddana przeglądowi pod kątem różnych działań hemicelulazy i celulazy, co doprowadziło do odkrycia dziesiątek odpowiednich szczepów grzybów. Jednakże mieszaniny enzymów produkowanych przez kultury grzybów były typowo kompleksowe, a wiele z ich działań odbywało się synergistycznie. To okazało się poważnym wyzwaniem w kontekście oceny różnych komponentów enzymów. Partnerzy projektu wykorzystali metodę przesiewową in silico opartą na bibliotekach metagenomicznych dla genomów grzybów na podstawie sekwencji genetycznej enzymów o podobnych funkcjach. To pozwoliło zespołowi projektu DISCO wybrać enzymy, które nie są produkowane w wykrywalnych ilościach w warunkach laboratoryjnych przez grzyby dzikiego typu. Badania obejmowały gatunki Myceliophthora thermophila C1 i zaowocowały odkryciem 21 nowych genów, które scharakteryzowano i przetestowano. Projekt DISCO z powodzeniem opracował skuteczne i opłacalne narzędzia do całkowitej hydrolizy biomasy lignocelulozowej, utrzymując tym samym wiodącą pozycję Europy w przemysłowej produkcji enzymów. Całkowita hydroliza biomasy lignocelulozowej otworzy drogę przed nowymi znacznymi zastosowaniami enzymów w przemyśle europejskim i zachęci nowe małe i średnie przedsiębiorstwa do działania (MŚP).