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Warum Termite Guts bessere Biokraftstoffe bringen könnten
Wissenschaftler sequenzieren die Genome ganzer mikrobieller Gemeinschaften in der Hoffnung, neue Gene und Organismen zu entdecken, die Treibstoff herstellen, Metalle abbauen oder Superfund-Standorte säubern können. Das als Metagenomik bekannte Feld beruht auf der Untersuchung von DNA-Stücken aus einer Vielzahl von Organismen, die am selben Ort leben. Dank ständig verbesserter Sequenzierungsmethoden wächst die Zahl der Metagenom-Projekte und gibt Wissenschaftlern unzählige neue Gene zur Erforschung.
Mikroben, die im Termitendarm leben (siehe oben), ermöglichen es dem Insekt, Holz zu verdauen. Wissenschaftler hoffen, die für diesen Prozess verantwortlichen mikrobiellen Gene zu kooptieren, um Biokraftstoffe aus Bäumen und Gräsern effizienter herzustellen.
Dies eröffnet eine neue Sichtweise auf diese Organismen, sagt Jim Bristow , Direktor des Community-Sequencing-Programms am Joint Genome Institute des Department of Energy in Walnut Creek, CA. Wir werden wahrscheinlich viele grundlegende Prozesse entdecken, von denen wir vorher nichts wussten.
Mikroorganismen sind ein immens wichtiger und oft übersehener Teil der Umwelt. Sie machen den Großteil unserer Biosphäre aus und untermauern alle Nährstoffkreisläufe auf unserem Planeten, sagt Philip Hugenholtz , Anführer der Programm zur mikrobiellen Ökologie am Gemeinsamen Genominstitut. Aber unser Verständnis dieser Systeme ist noch rudimentär. Mikrobiologen möchten diese Gemeinschaften besser verstehen, damit sie nützliche Gene oder Organismen kooptieren können, die beispielsweise Schadstoffe aus dem Boden entfernen, oder mikrobielle Gemeinschaften, die beispielsweise in unserem Mund oder Darm leben, besser kontrollieren können.
Die Standardmethode, um die in einer bestimmten Gemeinschaft lebenden Mikroorganismen zu identifizieren und zu untersuchen, besteht darin, sie in einem Labor zu züchten, aber dies ist nur mit etwa 1 Prozent der Mikroben möglich. In den letzten zwei Jahren haben jedoch schnellere und kostengünstigere Verfahren zur Gensequenzierung den Mikrobiologen ein neues Werkzeug geboten, um die anderen 99 Prozent zu untersuchen. Wissenschaftler können die DNA beispielsweise aus einem Tropfen Meerwasser oder einer Schlammprobe aus einer Kläranlage extrahieren und dann diese DNA sequenzieren, um genomische Hinweise auf alle in dieser Umgebung lebenden Organismen abzuleiten.
Das Zusammensetzen der zufälligen DNA-Fragmente, die während der Sequenzierung erzeugt werden, kann eine Herausforderung sein – in einigen Fällen sogar unmöglich. Hugenholtz vergleicht den Vorgang damit, tausend Puzzles aus einer einzigen Schachtel zusammenzusetzen, die nur wenige Teile von jedem Puzzle enthält. Anstatt diese genomischen Puzzles vollständig zusammenzusetzen, versuchen Wissenschaftler, die einzelnen Teile oder Gene zu verstehen. Die Identifizierung der Gene, die es den Mikroben im Termitendarm ermöglichen, beispielsweise Holz zu verdauen, könnte zu besseren Biokraftstoffen führen. Die Umwandlung von Zellulose in Bäumen und Gräsern in Einfachzucker, die zu Ethanol fermentiert werden können, ist ein sehr energieintensiver Prozess. Wenn wir dafür eine bessere enzymatische Maschinerie hätten, könnten wir Zucker vielleicht besser in Ethanol umwandeln, sagt Bristow. Termiten sind die besten Biokonverter der Welt.
Forscher des Joint Genome Institute, das einen Teil des menschlichen Genoms sequenziert hat und sich jetzt hauptsächlich der Metagenomik widmet, haben gerade die Sequenzierung der im Termitendarm lebenden Mikrobengemeinschaft abgeschlossen. Sie haben bereits eine Reihe neuartiger Cellulasen identifiziert – die Enzyme, die Zellulose in Zucker abbauen – und untersuchen nun die Eingeweide anderer holzverdauender Insekten, beispielsweise einer anaeroben Population, die Pappelschnitzel frisst. Das Endergebnis wird im Grunde eine riesige Stückliste sein, die synthetische Biologen zusammenstellen können, um einen idealen energieerzeugenden Organismus zu bilden, sagt Hugenholtz.
Mehrere andere Projekte – von Walkadavern bis hin zu Klärschlamm – sind im Gange oder bereits abgeschlossen und versprechen eine riesige Menge neuartiger genetischer Daten. Ein kürzlich an der University of California, Berkeley, durchgeführtes Projekt identifizierte beispielsweise drei neue Organismen, die in der stark sauren Umgebung verlassener Minen leben. (Bakterien, die den Boden dieser Minen bedecken, wandeln Eisen in Säure um, die dann nahe gelegene Bäche verschmutzen können.) Sie haben fast die Größe von Viren und sind möglicherweise die kleinsten Organismen, die jemals entdeckt wurden, sagt Brett Baker, ein Forscher an der UC Berkeley arbeitete an dem Projekt mit Jill Banfield , auch an der UC Berkeley. Diese Organismen können Hinweise auf andere Lebensformen geben, die an extreme Umgebungen wie den Mars angepasst sind.
Die nächste Hürde in der Metagenomik wird es sein, die Funktion vieler der neu identifizierten Gene herauszufinden: Im Gegensatz zu Cellulasen in Termiten weisen die meisten Gene nur geringe strukturelle Ähnlichkeit mit Genen gut untersuchter Organismen auf, was es schwierig macht, ihre Funktion abzuleiten. In einer Wasserprobe aus der Sargassosee, die der Genom-Pionier Craig Venter gesammelt hat, sind die beiden häufigsten und wahrscheinlich wichtigsten Genfamilien völlig einzigartig: Wissenschaftler haben keine Ahnung, was sie tun. In gewisser Weise sei es grob, sich auf riesige Berge in der Genomlandschaft zu konzentrieren, sagt Hugenholtz. Aber es macht sofort auf interessante Wege aufmerksam. Derzeit laufen Strukturstudien, um die Funktion dieser Proteine herauszufinden.
Metagenomics-Projekte könnten möglicherweise Licht in diese unbekannten Gene bringen. Wir können Repräsentationen von Genen unbekannter Funktion in ähnlichen Umgebungen betrachten, sie mit Umgebungen vergleichen, denen eine bestimmte Funktion fehlt, und dann eine Triangulation durchführen, sagt Bristow. Und metagenomische Signaturen könnten eines Tages als Fingerabdruck verwendet werden, um bestimmte Umgebungen zu identifizieren, fügt er hinzu. Sie könnten verwendet werden, um Orte zu identifizieren, an denen Sie nach Öl bohren oder nach Mineralien oder irgendeiner Art von Verunreinigungen suchen möchten, sagt er. Allein der Anblick der Gene könnte Ihnen sagen, was dort passiert.