211service.com
Kunnen koeien biobrandstoffen beter maken?
Een onderzoek naar de microben waarmee koeien gras kunnen verteren, zou kunnen leiden tot betere manieren om cellulosehoudende biobrandstoffen te maken.
Moo-crobes: Wetenschappers hebben toegang gekregen tot de pens van deze koe via de opening die zichtbaar is aan de linkerkant van het dier. De onderzoekers gebruikten zakken switchgrass die in de pens van koeien waren geplaatst om microben te vangen die de taaie plant kunnen fermenteren.
Biobrandstoffen gemaakt van landbouwafval, zaagsel en prairiegras beloven zuiniger te zijn dan biobrandstoffen die zijn afgeleid van maïs, suikerriet en andere voedselgewassen.
De eerste stap in cellulose-biobrandstoffen is het omzetten van taai plantaardig materiaal gemaakt van cellulose en lignine in suikers die vervolgens kunnen worden gefermenteerd om brandstoffen te maken. Maar dit is duur en vereist momenteel een grote hoeveelheid enzymen om cellulose af te breken. We hebben het over vrachtwagenladingen, zegt Frances Arnold , een professor in de chemische technologie aan Caltech die niet betrokken was bij het koeienonderzoek. We hebben een twee- tot vijfvoudige verlaging van de kosten van enzymen nodig, zegt ze.
Daarentegen hebben de microben die leven in het deel van het spijsverteringskanaal van runderen dat de pens wordt genoemd, cellulose al miljoenen jaren efficiënt in suiker omgezet. Onderzoekers hopen dat een nieuwe database van 28.000 genen waarvan de sequentie is bepaald van microben die betrokken zijn bij de vertering van runderen, ingenieurs zal helpen nieuwe enzymen te bedenken en de kosten van het maken van cellulose-biobrandstoffen zal verlagen.
Tot nu toe hebben fabrikanten de kosten voor het maken van cellulolytische enzymen verlaagd, voornamelijk door de verwerkingsmethoden te veranderen. Een andere benadering zou zijn om enzymen te maken die sneller werken of werken onder andere omstandigheden, zoals extreme temperaturen, die de afbraak van plantaardig materiaal zouden kunnen vergemakkelijken. Om de kosten van het maken van cellulose-biobrandstoffen te verlagen, hebben we nieuwe enzymen nodig die meer doen, zegt Eddy Rubin , directeur van het Amerikaanse Department of Energy Joint Genome Institute. Rubin leidde het onderzoek naar koeienmicroben.
Het probleem is dat naar schatting 99,9 procent van alle microben op aarde, inclusief die in de pens van koeien, niet in het laboratorium gekweekt kunnen worden. Dus biozoekers die op zoek waren naar natuurlijke microbiële enzymen met industriële belofte, hadden een zeer beperkte hoeveelheid materiaal om mee te werken. Gelukkig veranderen nieuwe technologieën voor het bepalen van de genen dat, waardoor onderzoekers microbiële enzymen kunnen ontdekken door in hun genen te kijken. Zonder microben in het laboratorium te hoeven kweken, kunnen onderzoekers al het genetische materiaal dat aanwezig is in een heel ecosysteem sequensen en deze gegevens vervolgens screenen op interessante genen. Dit type onderzoek wordt metagenomics genoemd.
Rubins groep begon hun zoektocht naar betere cellulolytische enzymen door termieten te bestuderen in 2007. Microben die in termietendarmen leven, fermenteren houtachtig ruwvoer tot suikers. Het probleem met termieten, zegt Rubin, was dat het moeilijk was om veel materiaal te krijgen om mee te werken, omdat de ingewanden van termieten klein zijn. De onderzoeken leverden niet veel van de volledige genen op die nodig zijn om werkende enzymen te maken.
De koepens kan meer dan 150 liter verteerbaar voedsel bevatten, waardoor de onderzoekers genoeg materiaal hebben om mee te werken. Koeien zijn om een andere reden bijzonder voordelige proefpersonen voor dit soort onderzoek. Landbouwwetenschappers hebben een systeem ontwikkeld om een met een raam bedekte opening in de pens van koeien te plaatsen. Het is letterlijk mogelijk om door dit raam, een fistel genaamd, in de maag te kijken en er experimentele monsters in te doen en ze er vervolgens uit te halen. In samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Illinois die koeien met fistels op de campus hebben, stopten de onderzoekers van het Joint Genome Institute zakken switchgrass in de koeienmagen, lieten ze 48 uur zitten en haalden ze er weer uit. Aangenomen werd dat microben die zich aan het switchgrass hechtten betrokken waren bij de fermentatie ervan.
De onderzoekers scheidden vervolgens de microben, braken ze af en sequeneerden al het genetische materiaal dat ze vonden. De onderzoekers waren in staat om een enorme hoeveelheid gegevens te produceren over de genen, en sommige van de genomen, die in de pens van de koe worden gevonden. Ze vonden ongeveer 250 miljard basenparen aan genen, ongeveer 10 keer meer dan het menselijk genoom.
De uitdaging was vervolgens om al die gegevens te interpreteren. Met behulp van de krachtige computerfaciliteiten in het Lawrence Berkeley National Lab in Californië, vergeleek de groep de koe-microbesequenties met een database van sequenties waarvan bekend is dat ze coderen voor enzymen die koolhydraten afbreken. Dit leidde tot een pool van 28.000 genen voor verder onderzoek. De onderzoekers gebruikten vervolgens laboratoriumbacteriën om de eiwitten te maken die door 90 van deze genen worden gecodeerd, en testten hun functionaliteit. Ongeveer de helft van hen was in staat cellulosematerialen af te breken.
Naast de 28.000 geïdentificeerde genen, waren de onderzoekers in staat om de genomen van verschillende voorheen onontdekte microbiële soorten opnieuw samen te stellen. Om dit deel van het onderzoek te testen, isoleerden ze een enkele niet-kweekbare bacteriële cel uit de pensmonsters en bepaalden ze het genoom ervan. Het kwam overeen met een van de exemplaren die ze hadden verzameld. Deze biologische reality check geeft ons veel vertrouwen, zegt Rubin.
Hoe de nieuwe database zal worden gebruikt, is niet duidelijk. Het is een encyclopedie voor mensen om uit te zoeken, zegt Rubin.
Eerdere pogingen om met nieuwe cellulose-enzymen te komen hebben niet veel opgeleverd. Er zijn twee manieren om het te doen. Een daarvan is om te proberen de enzymen actiever te maken. Een andere manier, een die Arnold van Rubin en Caltech beiden veelbelovender achten, is om enzymen te vinden of te maken die niet alleen actiever zijn, maar ook onder extreme omstandigheden werken die de afbraak van taaie planten kunnen vergemakkelijken, zoals hoge temperatuur, hoge -zoutoplossingen – omstandigheden die de enzymen van vandaag destabiliseren.
Ondertussen passen onderzoekers metagenomische analyse toe op andere microbiële gemeenschappen die taaie planten fermenteren. David Weiner, hoofd onderzoek en ontwikkeling bij het enzymbedrijf Verenium , zegt dat zijn bedrijf al termiet-microbe-enzymen in zijn productevaluatiepijplijn heeft. Het bedrijf was betrokken bij de eerdere termietenstudies van de onderzoekers van het Joint Genome Institute en heeft een platform ontwikkeld om het testen van nieuwe enzymen te versnellen. Weiner zegt dat het bedrijf ook op zoek is naar enzymgenen bij andere herkauwers, waaronder zebra's, en in monsters van bijvoorbeeld ontbindende stammen. Verenium heeft afgelopen najaar een deel van zijn celullolytische enzymactiviteiten verkocht aan BP.