Клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae под дифференциальным интерференционно-контрастным микроскопом. Изображение с сайта ru.wikipedia.org Биоэтанол — один из самых перспективных видов биотоплива. Надо только найти дешевый способ получения
большого количества этанола из возобновимого сырья. В статье,
опубликованной недавно в журнале Science, предлагается использовать для
этого методы генной инженерии и «научить» дрожжи разлагать целлюлозу, из которой состоят клеточные стенки растений.
Таким образом, растительная биомасса будет использована более полно, а
количество этанола на выходе увеличится.
Основной субстрат дрожжей — гексозы (например, глюкоза) и состоящие из них
олигосахариды (например, сахароза), которые они сбраживают, превращая в этанол и углекислый газ.
Дрожжи — довольно привередливые создания; хотя они в определенных
условиях могут расти и на некоторых других субстратах, но один их самых
распространенных углеводов — целлюлозу — они не разлагают никогда.
Поэтому при получении этанола из растительной биомассы
с помощью дрожжей либо остается огромное количество отходов, либо
приходится добавлять в смесь «внешние», внеклеточные, ферменты, чтобы расщепить
целлюлозу до съедобной для дрожжей глюкозы. Это создает много дополнительных
проблем и делает такой способ получения этанола куда менее рентабельным, чем он
мог бы быть.
Между тем, целлюлолитические грибы — например,
известный модельный организм нейроспора (Neurospora crassa) — прекрасно растут на
целлодекстринах (см. Cellodextrin) (то есть фрагментах целлюлозы) и
замечательно их разлагают. Это навело исследователей из Калифорнийского университета
в Беркли (США) и их коллегу из Тяньцзиньского института
индустриальной биотехнологии (Китай) на мысль: а что если вживить
клеткам дрожжей (использовались столь любимые биологами Saccharomyces
cerevisiae) те гены нейроспоры, которые позволяют ей транспортировать
внутрь клетки и расщеплять фрагменты целлюлозы?
Исследователи выбрали два целлодекстриновых
переносчика нейроспоры и вживили каждый в свою линию дрожжей. Кроме того,
каждая дрожжевая линия получила ген внутриклеточной бета-галактозидазы,
расщепляющей целлодекстрины до глюкозы.
Экспериментальная линия дрожжей работала так:
внеклеточные, добавленные к биомассе целлюлазы расщепляли целлюлозные нити до
целлодекстринов; «нейроспорный», вживленный переносчик захватывал плавающие в
субстрате целлодекстрины и переносил их внутрь клетки; внутриклеточная (тоже
«нейроспорная») бета-галактозидаза расщепляла их до глюкозы, а после этого уже
включалась «родная» дрожжевая система превращения глюкозы в спирт и углекислый
газ.
Работа дрожжей, содержащих транспортер для целлодекстринов и внутриклеточную бета-галактозидазу. Нити целлюлозы (черточки наверху) расщепляются целлюлазами (GH) до целлодекстринов (Cdex), которые подхватываются транспортерами (CDT) и попадают внутрь клетки. Там бета-галактозидаза (βG) расщепляет их до глюкозы (Glc). После этого система дрожжевых ферментов превращает глюкозу в биоэтанол (Fuel). При этом никто не мешает нам использовать и традиционный способ «внешнего» расщепления целлодекстринов до глюкозы с помощью внеклеточной бета-галактозидазы (показан светло-серым). Полученная «внешняя» глюкоза попадает в клетку с помощью гексозных транспортеров (HXT). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Большое достоинство этого метода в том, что
глюкоза «не высовывается» из клетки, а значит, уменьшается риск заражения
субстрата другими организмами, питающимися глюкозой.
Полученные линии неплохо росли на целлобиозе (целлодекстрине, состоящем из двух
глюкозных остатков), причем одна из линий росла гораздо лучше другой —
то есть один из исследуемых транспортеров имеет большее сродство к
целлобиозе. Поскольку он умеет переносить еще и целлотриозу и целлотетраозу,
ученые выбрали для дальнейших экспериментов линию, содержащую этот транспортер.
При ферментации целлобиозы эта линия дрожжей дает
выход этанола 86,3% от теоретически возможного. Это неплохой результат:
например, при индустриальном методе выработки этанола с помощью обычных
дрожжей, растущих на глюкозе, выход лишь ненамного больше — от 90
до 93%. Иными словами, новая дрожжевая линия — очень перспективная
разработка. Помимо того, что она просто должна дать больше этанола на выходе,
она еще существенно уменьшает возню с внеклеточными ферментами, которые
«разжевывают» целлюлозу до глюкозных молекул, и снижает количество отходов
после производства биотоплива. Остается только надеяться, что дальнейшие
эксперименты с этой линией дрожжей нас не разочаруют.
Источник: Jonathan M. Galazka, Chaoguang Tian, William T. Beeson, Bruno Martinez, N. Louise Glass, Jamie H. D. Cate.Cellodextrin Transport in Yeast for Improved Biofuel Production. // Science. 1 October 2010. V. 330. P. 84–86.
| 
