Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Mikrobiologiczna produkcja biopaliw
Amerykańscy naukowcy odkryli nowy enzym, umożliwiający produkcję mikrobiologiczną odnawialnej alternatywy dla toluenu na bazie ropy naftowej, powszechnie stosowanego przyspieszacza oktanowego w benzynie. Głównym przedmiotem badań społeczności naukowców zajmujących się biopaliwami jest wytwarzanie przemysłowo oraz komercyjnie istotnych paliw i chemikaliów ze źródeł odnawialnych, takich jak biomasa lignocelulozowa, jednak produkcja z ropy naftowej nie jest tak popularna. Odkryty enzym umożliwi po raz pierwszy produkcję mikrobiologiczną toluenu pochodzenia biologicznego, a tak naprawdę pierwszą produkcję mikrobiologiczną dowolnego aromatycznego biopaliwa węglowodorowego.

Odkrycie enzymu było wynikiem intensywnych badań nad dwoma bardzo różnymi grupami drobnoustrojów produkujących toluen. Jedna z nich zawierała drobnoustroje z osadów jeziornych, druga zaś z osadów ściekowych. Ze względu na fakt, że drobnoustroje w środowisku są rezerwuarem enzymów, które katalizują wyjątkowo zróżnicowany zestaw reakcji chemicznych, naukowcy pozyskujący enzymy ze środowiska naturalnego nie są zatem rzadkością w dziedzinie biotechnologii. Naukowców do badań skłoniła publikacja jeszcze z lat 80. ubiegłego wieku, gdzie ujawniono mikrobiologiczną biosyntezę toluenu w beztlenowych osadach jeziornych. Pomimo wielu doniesień o bakteryjnym wytwarzaniu toluenu, tożsamość enzymu katalizującego tę biochemicznie trudną reakcję była tajemnicą przez wiele lat. 

Odkryty podczas badań enzym syntetyzujący toluen to dekarboksylaza fenylooctanu – należy do grupy enzymów, znanych jako enzymy z resztą glicylową (ang. GRE – Glycyl Radical activating Enzymes). Enzymy te rozpoznano dopiero w latach 80. XX wieku. Przedstawione w badaniu dowody metagenomiczne sugerują, że w przyrodzie istnieje wiele innych enzymów z resztą glicylową, które jeszcze nie zostały scharakteryzowane. Radykalna natura tej grupy enzymów pozwala im katalizować trudne chemicznie reakcje, takie jak chociażby beztlenowa dekarboksylacja fenylooctanu w celu wytworzenia toluenu. Poza potencjalnymi zastosowaniami biotechnologicznymi, wiele znanych GRE ma znaczenie dla zdrowia człowieka, a co ciekawsze występuje w ludzkim mikrobiomie jelitowym.

Proces odkrywania enzymów w tym badaniu był trudny, jak i niekonwencjonalny. Naukowcy po raz pierwszy rozpoczęli pracę z bakteriami produkującymi toluen, bazując na doniesieniach z poprzedniego wieku. Jednak kiedy procedury te okazały się nieodtwarzalne, badacze zwrócili się w stronę środowisk, w którym bezpośrednio powstają kultury produkujące toluen – czyli do ścieków komunalnych i beztlenowych osadów jeziornych.

Odkrywanie enzymów stanowi wyzwanie, jednak przejście od odkrycia w jednym gatunku bakterii, do odkrycia w złożonej grupie drobnoustrojów z osadów ściekowych lub osadów jeziornych było znacznie trudniejsze. Znalezienie enzymu wytwarzającego toluen w puli kandydatów złożonej z setek tysięcy enzymów było niczym poszukiwanie igły w stogu siana. Analizy metagenomu ujawniły, że te grupy drobnoustrojów zawierały ponad 300 000 genów (odpowiednik ponad 50 genomów bakterii). Innym wyzwaniem był fakt, że anaerobowe grupy drobnoustrojów i ich enzymy były wrażliwe na tlen, co zmuszało naukowców do manipulowania kulturami i enzymami w ściśle beztlenowych warunkach. Proces odkrywania łączył techniki oczyszczania białek stosowane przez biochemików od dziesięcioleci, takie jak wysokosprawna chromatografia cieczowa rozdzielająca białka w połączeniu z nowoczesnymi analizami metagenomicznymi, metaproteomicznymi i powiązanymi z nimi analizami bioinformatycznymi. Ważnym elementem procesu odkrywczego było zatwierdzenie przewidywań naukowców dotyczących enzymu powstającego w procesie biosyntezy toluenu za pomocą eksperymentów z użyciem ściśle kontrolowanych testów obejmujących oczyszczone białka. Pojawia się zatem pytanie: dlaczego bakteria produkuje toluen? Niestety, badacze nie dają jednoznacznej odpowiedzi, ale przedstawiają dwie hipotezy. Jedną z możliwości jest to, że bakteria produkuje toluen jako toksynę w celu zwalczania innych drobnoustrojów w swoim środowisku. Druga hipoteza zakłada, że reakcja dekarboksylazy fenylooctanu (wytwarzanie toluenu) zapewnia strategię dla bakterii do regulowania jej wewnętrznego pH w kwaśnym, fermentacyjnym środowisku. Badacze wierzą, że wyniki ich badań mają wpływ na naukę podstawową i stosowaną. Z biochemicznego punktu widzenia, badanie rozszerza znany katalityczny zakres GRE, zaś z perspektywy biotechnologicznej umożliwi po raz pierwszy biochemiczną syntezę aromatycznego paliwa węglowodorowego z zasobów odnawialnych. Jednak, jak podkreślają badacze, muszą się jeszcze wiele nauczyć o niezwykłej różnorodności metabolicznej bakterii.

Źródła

Harry R. Beller, Andria V. Rodrigues, Kamrun Zargar, Yu-Wei Wu, Avneesh K. Saini, Renee M. Saville, Jose H. Pereira, Paul D. Adams, Susannah G. Tringe, Christopher J. Petzold, Jay D. Keasling. Discovery of enzymes for toluene synthesis from anoxic microbial communities. Nature Chemical Biology, 2018.

KOMENTARZE
Newsletter