Poszukiwanie skarbów w nieznanej materii genów mikroorganizmów
Biomasa, taka jak odpady rolne, produkty leśne i odpady spożywcze, jest ważnym zasobem dla UE, którego roczny urobek powinien wynieść 1 miliard ton do 2030 roku. Większość z tych odpadów jest wykorzystywana jako źródło energii – czy to w wyniku fermentacji do paliwa, czy też bezpośredniego spalania. W ramach finansowanego przez UE projektu BHIVE poszukiwano sposobów na wydobycie większej wartości z tego surowca poprzez mapowanie „ciemnej materii” genomów drobnoustrojów. „Celem było lepsze poznanie sekwencji genów o nieznanych funkcjach, ze szczególnym uwzględnieniem tych, które mogą przekształcać biomasę w poszukiwane produkty”, wyjaśnia koordynatorka projektu Emma Master. Funkcja większości genów zidentyfikowanych do tej pory przez sekwencjonowanie genomu pozostaje nieznana. „To skarbnica biokatalizatorów, które można by wykorzystać w różnych sektorach przemysłu”, dodaje Master. Jej zespół, pracujący na Uniwersytecie w Aalto w Finlandii, badał wspólne sekwencje znajdowane w wielu genomach drobnoustrojów, mając nadzieję na odkrycie nowych enzymów, które pomogą przekształcać lignocelulozę, włóknisty materiał, który stanowi większość suchej tkanki roślin.
Produkt o wartości dodanej
W krajach północnych, takich jak Finlandia, czas uzyskiwania biomasy jest długi, a sama biomasa – trudna do przetworzenia. To sprawia, że przekształcenie jej w produkty o wyższej wartości staje się atrakcyjne. „Wiele biokatalizatorów opracowanych z myślą o takiej konwersji koncentruje się na dekonstrukcji – przekształcaniu celulozy w cukry do fermentacji, w mające zastosowanie w przemyśle związki chemiczne i paliwa”, mówi Master. „My skupiliśmy się na biokatalizatorach, które ulepszają, a nie degradują”. Enzymy można by dodawać do włókien celulozowych z drzew, na przykład w celu funkcjonalizacji tego materiału. Aby zbadać nieopisane fragmenty genomu roślin, Master i jej zespół musieli opracować nowe techniki badań. „W genomice dostajesz to, pod kątem czego prowadzisz badania. Możemy odkryć tylko to, co potrafimy obserwować”, dodaje uczona. „Jeśli nie wiemy, jaką funkcję pełni dany element, jak mamy go zbadać?” Dlatego zespół zaczął od wskazania rodzajów aktywności enzymatycznej, które go interesowały, i pracował wstecz z tego punktu, by przygotować narzędzia umożliwiające badanie przesiewowe pod kątem identyfikacji katalizatorów zdolnych do wspomagania takich reakcji. Niestety przesiewanie enzymów przeprowadza się zazwyczaj w roztworze, a lignoceluloza nie jest rozpuszczalna. „Musieliśmy zmienić podejście do szukania tego typu aktywności i opracować metody znakowania fluorescencyjnego i spektrometrii mas, które pozwoliłyby nam szukać zmian w nierozpuszczalnych substratach”, zauważa Master. Zespół zbadał tysiące genów i zawęził ich pulę do kilkuset, które poddano badaniom przesiewowym pod kątem ekspresji. „Zastosowaliśmy podejście oparte na wskazaniu winnych przez skojarzenie – wskazówki w genomie pomocne w znalezieniu sekwencji, które mogą być ważne dla funkcjonalizacji lignocelulozy”, wyjaśnia badaczka. Ostatecznie udało się scharakteryzować blisko 100 białek.
Nowe i udoskonalone
Szczególne zainteresowanie wzbudziło kilka z nowo odkrytych enzymów. Wśród nich był enzym aminujący, który umożliwia dodawanie funkcji aminowej do polisacharydów. „Jest to przydatne do wytwarzania materiałów przeciwdrobnoustrojowych i polimerów chelatujących”, zauważa Master. „Rośliny nie wytwarzają dużych ilości polisacharydów z aminami, a te są przydatne w przemyśle tekstylnym”. Odkryto też inny enzym, który zmienia strukturę włókna celulozowego, wpływając na jego porowatość i elastyczność, co jest przydatne w produkcji tekstyliów takich jak sztuczny jedwab. „Proces wytwarzania sztucznego jedwabiu nie jest zrównoważony i istnieje duże zainteresowanie zmianą tego stanu rzeczy poprzez zastąpienie bawełny drewnem”, zauważa Master. Prace nad enzymami są kontynuowane na Uniwersytecie w Aalto dzięki nawiązaniu współpracy z naukowcami z Hiszpanii i Szwecji oraz partnerem przemysłowym. „Nie moglibyśmy tego zrobić bez dofinansowania z ERBN”, mówi Master. „To przełomowe odkrycie, które otwiera nam i Europie nowe drogi w dziedzinie biokatalizatorów i inżynierii biomateriałów”.
Słowa kluczowe
BHIVE, enzym, biokatalizator, genomika, drewno, pulpa, celuloza, modernizacja, transformacja, biomateriały, inżynieria
