Исследование, опубликованное в текущем выпуске журнала Nature Communications, может позволить ученым использовать фермент в растении для производства большого количества топливного масла. Тим Деваренн, биохимик AgriLife Research из Колледж-Стейшн и ведущий научный сотрудник группы.
Лаборатория Деваренна изучает концепцию производства топлива из водорослей на грант Национального научного фонда в размере 2 миллионов долларов в течение четырех лет.
«Интересная особенность этой водоросли заключается в том, что она производит большое количество жидких углеводородов, которые можно использовать для производства топлива, такого как бензин, керосин и дизельное топливо», – сказал Деваренн. «И эти жидкие углеводороды, производимые водорослями, в настоящее время находятся в нефтяных месторождениях, поэтому мы уже используем их в качестве источника для производства топлива.
«Ботриококк встречается практически везде в мире, кроме морской воды», – добавил он. "Это очень космополитично.
Растет в пресной или солоноватой воде. Встречается почти во всех прудах и озерах по всему миру. Его находили на всех континентах, кроме Антарктиды, и он растет от горного к пустынному климату."
Его лаборатория пыталась понять, как Botryococcus braunii производит жидкие углеводороды – какие гены и пути задействованы – чтобы можно было манипулировать генами, чтобы производить больше масла, возможно, путем переноса этих генов в наземные растения, такие как табак, или может быть, другие водоросли, которые растут очень быстро, сказал Деваренн.
"Одна из проблем, связанных с ботриококком, заключается в том, что он очень медленно растет. Вы просто не получаете много биомассы, и в экономических масштабах это означает, что использовать эту водоросль не получится.
Одной клетке Botryococcus требуется около недели, чтобы удвоиться и превратиться в две клетки, тогда как более быстрорастущие водоросли – но та, которая не выделяет много масла – могут удвоиться примерно за шесть часов », – сказал он. «Может быть, если мы сможем передать генетическую информацию, чтобы эти масла превратились в более быстрорастущие организмы, такие как другие водоросли, которые растут намного быстрее, или наземное растение, способное производить большое количество биомассы, мы сможем заставить их производить масло для нас."Но сначала исследователи должны понять, какие гены обеспечивают добычу нефти.
«В этом исследовании мы были заинтересованы в расшифровке биохимического пути производства этого масла, которое называется ликопадиеном», – сказал он. «Мы обнаружили очень интересный ген, который называется ликопаоктаенсинтаза, или LOS. И фермент, кодируемый геном LOS, способен инициировать производство масла, поэтому мы начали, по существу, выделить этот путь."
По словам Деваренна, более пристальный взгляд на фермент LOS показал, что этот фермент является «беспорядочным» в том смысле, что он способен смешивать несколько различных веществ или субстратов для получения различных продуктов.
«Хотя эта способность довольно часто встречается в природе, она уникальна для этого типа углеводорода и ферментов», – отметил он. «Мы смогли определить, что этот фермент из этой водоросли способен производить несколько различных углеводородоподобных продуктов."
В проекте участвовали аспирант Деваренна Хем Тхапа и его коллега Мандар Наик из Техасского университета A&M в Колледж-Стейшн, а также Сигеру Окада и Кентаро Такада из Токийского университета в Японии, Иштван Молнар из Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни Аризоны и Юйцюань. Сюй из Китайской академии сельскохозяйственных наук.
«У нас было представление о том, на что будет похож этот фермент, но сюрпризом было обнаружение того, что LOS может использовать три разные молекулы в качестве субстратов, и он может создавать комбинации этих молекул», – сказал Деваренн. "Некоторые из подложек имеют длину 20 атомов углерода, некоторые – 15 атомов углерода.
Мы можем смешать их с ферментом так, чтобы две молекулы из 20 атомов углерода образовали молекулу из 40 атомов углерода, или две молекулы из 15 атомов углерода, чтобы получить молекулу из 30 атомов углерода, или субстрат из 20 атомов углерода и субстрат из 15 атомов углерода образовали молекулу из 35 атомов углерода. -углеродная подложка."
Деваренн объяснил, что это не только отличается от других ферментов, похожих на LOS, но и важно, потому что большинство ферментов, таких как LOS, используют только субстрат из 15 атомов углерода. Что касается топлива, лучше начать с молекулы с более высоким числом атомов углерода.
Команда определила последовательность всех активно «работающих» генов организма в условиях добычи углеводородов.
Затем биоинформатический анализ этой информации о последовательности позволил выявить ген, который мог бы обладать соответствующей активностью для инициирования биосинтеза углеводородов, сказал Мольнар.
«Современные технологии секвенирования в сочетании со сложными алгоритмами биоинформатики все чаще позволяют нам отображать биохимический потенциал многих организмов – даже тех, которые трудно или даже невозможно выращивать в лабораторных условиях», – отметил Мольнар. «Эта технология, называемая« добычей генома », позволяет более тщательно исследовать интересные ферменты, чтобы впоследствии эти ферменты можно было использовать для многих приложений в здравоохранении, сельском хозяйстве или различных химических отраслях, или для производства биотоплива, как здесь."
«Мы все еще далеки от создания коммерческого продукта, но наш следующий шаг – закончить расшифровку пути», – сказал Деваренн. «Мы определили самый первый шаг на этом пути – создание первых 40 углеродных углеводородов. У нас есть несколько генов-кандидатов для следующего шага пути, и мы только начинаем характеризовать их.«Даже когда гены станут более понятными, ученым придется найти правильный организм-хозяин для экспрессии генов, оптимизировать это выражение и попытаться заставить их производить как можно больше масла – все это включает в себя много фундаментальные исследования и время, сказал он.
Кроме того, по его словам, когда цены на нефть падают, государственная поддержка альтернативных источников топлива ослабевает.
«В зависимости от цены на нефть существуют американские горки, – сказал Деваренн. «Но мы считаем, что должны производить биотопливо и заменять нефть, и, по нашему мнению, не стоит беспокоиться только о поставках топлива, исходя из цены на нефть. Его нужно преследовать, несмотря ни на что."