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Könnten Kühe Biokraftstoffe verbessern?
Eine Untersuchung der Mikroben, die es Kühen ermöglichen, Gras zu verdauen, könnte zu besseren Möglichkeiten zur Herstellung von Zellulose-Biokraftstoffen führen.
Mu-crobes: Durch die auf der linken Seite des Tieres sichtbare Öffnung erhielten die Wissenschaftler Zugang zum Pansen dieser Kuh. Die Forscher verwendeten Säcke mit Rutenhirse, die im Pansen von Kühen platziert wurden, um Mikroben einzufangen, die die zähe Pflanze fermentieren können.
Biokraftstoffe aus landwirtschaftlichen Abfällen, Sägemehl und Präriegras versprechen, wirtschaftlicher zu sein als Biokraftstoffe aus Mais, Zuckerrohr und anderen Nahrungspflanzen.
Der erste Schritt bei zellulosehaltigen Biokraftstoffen besteht darin, zähe Pflanzenmaterialien aus Zellulose und Lignin in Zucker umzuwandeln, die dann zu Kraftstoffen fermentiert werden können. Dies ist jedoch teuer und erfordert derzeit eine große Menge an Enzymen, um Zellulose abzubauen. Wir reden von LKW-Ladungen, sagt Frances Arnold , ein Professor für Chemieingenieurwesen am Caltech, der nicht an der Kuhforschung beteiligt war. Wir brauchen eine zwei- bis fünffache Senkung der Enzymkosten, sagt sie.
Im Gegensatz dazu wandeln die Mikroben, die im Pansen genannten Teil des Rinderverdauungstrakts leben, seit Jahrmillionen Zellulose effizient in Zucker um. Forscher hoffen, dass eine neue Datenbank mit 28.000 Genen, die von Mikroben sequenziert wurden, die an der Rinderverdauung beteiligt sind, Ingenieuren helfen wird, neue Enzyme zu entwickeln und die Kosten für die Herstellung von Zellulose-Biokraftstoffen zu senken.
Bisher haben die Hersteller die Herstellungskosten für cellulolytische Enzyme meist durch veränderte Verarbeitungsmethoden gesenkt. Ein anderer Ansatz wäre, Enzyme herzustellen, die schneller arbeiten oder unter anderen Bedingungen wie extremen Temperaturen arbeiten, die den Abbau von Pflanzenmaterial erleichtern könnten. Um die Kosten für die Herstellung von Zellulose-Biokraftstoffen zu senken, brauchen wir neue Enzyme, die mehr leisten, sagt Eddy Rubin , Direktor des Joint Genome Institute des US-Energieministeriums. Rubin leitete die Kuhmikrobenstudie.
Das Problem ist, dass schätzungsweise 99,9 Prozent aller Mikroben auf der Erde, einschließlich derjenigen im Kuhpansen, nicht in Kultur im Labor gezüchtet werden können. Bioprospektoren, die nach natürlichen mikrobiellen Enzymen mit industriell vielversprechendem Potenzial suchen, hatten daher nur einen sehr begrenzten Materialpool, mit dem sie arbeiten konnten. Glücklicherweise ändern neue Gensequenzierungstechnologien dies und ermöglichen es Forschern, mikrobielle Enzyme zu entdecken, indem sie in ihren Genen suchen. Ohne Mikroben im Labor züchten zu müssen, können Forscher das gesamte genetische Material eines gesamten Ökosystems sequenzieren und diese Daten dann nach interessierenden Genen durchsuchen. Diese Art der Forschung wird als Metagenomik bezeichnet.
Rubins Gruppe begann ihre Suche nach besseren cellulolytischen Enzymen durch die Untersuchung von Termiten im Jahr 2007. Mikroben, die in Termitendärmen leben, fermentieren holzige Ballaststoffe zu Zucker. Das Problem mit Termiten, sagt Rubin, war, dass es schwierig war, viel Material zu bekommen, um damit zu arbeiten, weil Termitendärme klein sind. Die Studien haben nicht viele der Gene in voller Länge erzeugt, die für die Herstellung funktionierender Enzyme erforderlich sind.
Der Pansen der Kuh kann über 150 Liter verdauende Nahrung aufnehmen – das gibt den Forschern viel Material, mit dem sie arbeiten können. Kühe sind aus einem anderen Grund besonders vorteilhafte Testpersonen für diese Studienform. Agrarwissenschaftler haben ein System entwickelt, um den Pansen von Kühen mit einer Fensteröffnung zu versehen. Es ist buchstäblich möglich, durch dieses Fenster, das als Fistel bezeichnet wird, in den Magen zu schauen und Versuchsproben hineinzulegen und sie dann herauszuziehen. In Zusammenarbeit mit Forschern der University of Illinois, die Kühe mit Fisteln auf dem Campus haben, steckten die Forscher des Joint Genome Institute Taschen mit Rutenhirse in die Mägen der Kuh, ließen sie 48 Stunden sitzen und nahmen sie wieder heraus. Es wurde vermutet, dass Mikroben, die an der Rutenhirse anhaften, an der Fermentation beteiligt sind.
Anschließend trennten die Forscher die Mikroben heraus, zerlegten sie und sequenzierten das gesamte gefundene genetische Material. Die Forscher konnten eine enorme Menge an Daten über die Gene und einige der Genome, die im Kuhpansen gefunden wurden, produzieren. Sie fanden etwa 250 Milliarden Basenpaare an Genen, etwa zehnmal mehr als das menschliche Genom ausmacht.
Die Herausforderung bestand dann darin, all diese Daten zu interpretieren. Unter Verwendung der Hochleistungsrechner des kalifornischen Lawrence Berkeley National Lab verglich die Gruppe die Kuhmikrobensequenzen mit einer Datenbank mit Sequenzen, von denen bekannt ist, dass sie für Enzyme kodieren, die Kohlenhydrate abbauen. Dies führte zu einem Pool von 28.000 Genen für weitere Untersuchungen. Die Forscher verwendeten dann Laborbakterien, um die von 90 dieser Gene kodierten Proteine herzustellen, und testeten ihre Funktionalität. Etwa die Hälfte von ihnen konnte zellulosehaltige Materialien abbauen.
Zusätzlich zu den 28.000 identifizierten Genen konnten die Forscher die Genome mehrerer bisher unentdeckter mikrobieller Arten wieder zusammensetzen. Um diesen Teil der Studie zu testen, isolierten sie eine einzelne nicht kultivierbare Bakterienzelle aus den Pansenproben und sequenzierten ihr Genom. Es entsprach einem von denen, die sie zusammengestellt hatten. Dieser biologische Realitätscheck macht uns ziemlich zuversichtlich, sagt Rubin.
Wie die neue Datenbank verwendet wird, ist nicht klar. Es ist eine Enzyklopädie für die Leute, sagt Rubin.
Frühere Bemühungen, neue cellulytische Enzyme zu entwickeln, haben nicht viel gebracht. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu tun. Eine besteht darin, zu versuchen, die Enzyme aktiver zu machen. Eine andere Möglichkeit, die Rubin und Arnold von Caltech für vielversprechender halten, besteht darin, Enzyme zu finden oder herzustellen, die nicht nur aktiver sind, sondern auch unter extremen Bedingungen funktionieren, die den Abbau zäher Pflanzen erleichtern könnten, wie z -Salzlösungen – Bedingungen, die die heutigen Enzyme destabilisieren.
In der Zwischenzeit wenden Forscher die metagenomische Analyse auf andere mikrobielle Gemeinschaften an, die zähe Pflanzen fermentieren. David Weiner, Leiter Forschung und Entwicklung des Enzymunternehmens Verenium , sagt, dass sein Unternehmen bereits Termitenmikroben-Enzyme in seiner Produktbewertungspipeline hat. Das Unternehmen war an den früheren Termitenstudien der Forscher des Joint Genome Institute beteiligt und hat eine Plattform entwickelt, um das Testen neuer Enzyme zu beschleunigen. Weiner sagt, das Unternehmen suche auch nach Enzymgenen bei anderen Wiederkäuern, darunter Zebras, und in Proben, die beispielsweise aus verrottenden Baumstämmen entnommen wurden. Verenium hat im vergangenen Herbst einen Teil seines Geschäfts mit zellullolytischen Enzymen an BP verkauft.