211service.com
Waarom termietendarmen betere biobrandstoffen kunnen opleveren
Wetenschappers sequensen de genomen van hele microbiële gemeenschappen in de hoop nieuwe genen en organismen te ontdekken die brandstof kunnen maken, metalen kunnen ontginnen of superfund-sites kunnen opruimen. Dit veld staat bekend als metagenomica en is gebaseerd op het bestuderen van stukjes DNA van verschillende organismen die op dezelfde plaats leven. Dankzij steeds betere sequentiemethoden groeit het aantal metagenoomprojecten, waardoor wetenschappers talloze nieuwe genen kunnen verkennen.
Microben die in de termietendarm leven (hierboven weergegeven) zorgen ervoor dat het insect hout kan verteren. Wetenschappers hopen de microbiële genen die verantwoordelijk zijn voor dit proces te coöpteren om efficiënter biobrandstoffen te produceren uit bomen en grassen.
Dit opent een nieuwe manier om naar deze organismen te kijken, zegt Jim Bristow , directeur van het community sequencing-programma van het Joint Genome Institute van het Department of Energy, in Walnut Creek, CA. We zullen waarschijnlijk veel fundamentele processen ontdekken waar we voorheen niets van wisten.
Micro-organismen vormen een enorm belangrijk en vaak over het hoofd gezien deel van het milieu. Ze vormen het grootste deel van onze biosfeer en ondersteunen alle nutriëntencycli op onze planeet, zegt Philip Hugenholtz , leider van de microbiële ecologie programma bij het Joint Genome Institute. Maar ons begrip van deze systemen is nog rudimentair. Microbiologen willen deze gemeenschappen beter begrijpen, zodat ze nuttige genen of organismen kunnen overnemen, zoals die welke verontreinigende stoffen uit de bodem verwijderen, of microbiële gemeenschappen, zoals die in onze mond of darmen, beter kunnen controleren.
De standaardmanier om de micro-organismen die in een bepaalde gemeenschap leven te identificeren en te bestuderen, is door ze in een laboratorium te kweken, maar dit is alleen mogelijk met ongeveer 1 procent van de microben. In de afgelopen twee jaar hebben microbiologen echter dankzij snellere en goedkopere methoden voor het sequensen van genen een nieuw hulpmiddel geboden om de andere 99 procent te bestuderen. Wetenschappers kunnen het DNA extraheren uit bijvoorbeeld een druppel zeewater of een monster van slib uit een rioolwaterzuiveringsinstallatie en dat DNA vervolgens sequensen, waardoor genomische aanwijzingen worden afgeleid voor alle organismen die in die omgeving leven.
Het samenstellen van de willekeurige DNA-fragmenten die tijdens sequencing worden gegenereerd, kan een uitdaging zijn - in sommige gevallen zelfs onmogelijk. Hugenholtz vergelijkt het proces met het proberen om duizend legpuzzels samen te stellen uit een enkele doos die slechts een paar stukjes van elke puzzel bevat. Dus in plaats van deze genomische puzzels volledig in elkaar te zetten, proberen wetenschappers de individuele stukjes of genen te begrijpen. Het identificeren van de genen die ervoor zorgen dat de microben in de termietendarm bijvoorbeeld hout kunnen verteren, zou kunnen leiden tot betere biobrandstoffen. Het omzetten van cellulose in bomen en grassen in de enkelvoudige suikers die gefermenteerd kunnen worden tot ethanol is een zeer energie-intensief proces. Als we daarvoor betere enzymatische machines zouden hebben, zouden we misschien beter in staat zijn om suikers om te zetten in ethanol, zegt Bristow. Termieten zijn 's werelds beste bioconverters.
Onderzoekers van het Joint Genome Institute, dat een deel van het menselijk genoom heeft gesequenced en nu grotendeels is toegewijd aan metagenomica, zijn net klaar met het sequencen van de microbiële gemeenschap die in de termietendarm leeft. Ze hebben al een aantal nieuwe cellulasen geïdentificeerd - de enzymen die cellulose afbreken tot suiker - en kijken nu naar de ingewanden van andere insecten die hout verteren, zoals een anaërobe populatie die populierenchips eet. Het eindresultaat zal in feite een gigantische onderdelenlijst zijn die synthetisch biologen kunnen samenstellen om een ideaal energieproducerend organisme te maken, zegt Hugenholtz.
Verschillende andere projecten - van walviskarkassen tot afvalwaterslib - zijn aan de gang of zijn al voltooid en beloven een enorme hoeveelheid nieuwe genetische gegevens. Een recent project aan de University of California, Berkeley, bijvoorbeeld, identificeerde drie nieuwe organismen die leven in de zeer zure omgeving van verlaten mijnen. (Bacteriën die de bodems van deze mijnen bedekken, zetten ijzer om in zuur, dat vervolgens nabijgelegen stromen kan vervuilen.) Ze zijn bijna zo groot als virussen en zijn misschien wel de kleinste organismen die ooit zijn ontdekt, zegt Brett Baker, een onderzoekswetenschapper aan UC Berkeley, die aan het project gewerkt met Jill Banfield , ook bij UC Berkeley. Deze organismen kunnen aanwijzingen geven voor andere levensvormen die zijn aangepast aan extreme omgevingen, zoals Mars.
De volgende hindernis in de metagenomica zal zijn om de functie van veel van de nieuw geïdentificeerde genen te vinden: in tegenstelling tot cellulasen in termieten, hebben de meeste genen weinig structurele overeenkomst met genen van goed bestudeerde organismen, waardoor het moeilijk is om hun functie af te leiden. In een watermonster uit de Sargassozee verzameld door genomics-pionier Craig Venter, zijn de twee meest voorkomende en waarschijnlijk belangrijkste genfamilies totaal uniek: wetenschappers hebben geen idee wat ze doen. In sommige opzichten is het grof om je te concentreren op enorme bergen in het genoomlandschap, zegt Hugenholtz. Maar het vestigt onmiddellijk de aandacht op interessante wegen om te volgen. Er zijn nu structurele studies aan de gang om te proberen de functie van deze eiwitten te achterhalen.
Metagenomics-projecten kunnen uiteindelijk licht werpen op deze onbekende genen. We kunnen naar representaties van genen met een onbekende functie in vergelijkbare omgevingen kijken, ze vergelijken met omgevingen die een bepaalde functie niet hebben, en vervolgens trianguleren, zegt Bristow. En metagenomische handtekeningen kunnen ooit worden gebruikt als een vingerafdruk om bepaalde omgevingen te identificeren, voegt hij eraan toe. Ze kunnen worden gebruikt als een manier om plaatsen te identificeren waar je naar olie wilt boren of naar mineralen of een of andere vorm van verontreiniging wilt zoeken, zegt hij. Alleen al het zien van de genen zou je kunnen vertellen wat daar gebeurt.