科学家发现一种酶可使农用工业废料得到再利用

导读：减少对石油和其他化石燃料的依赖的方法之一是将农工业废物转化为具有社会意义的分子，比如生物燃料和生物化学品。

减少对石油和其他化石燃料的依赖的方法之一是将农工业废物转化为具有社会意义的分子，比如生物燃料和生物化学品。作为世界上主要的植物生物质生产国之一，巴西完全有能力引领这一转变，但木质纤维素原料很难分解，或更专业的说法，对微生物和酶的降解具有顽固性。

现在，巴西的科学家们正从大自然中寻找线索，以了解如何通过增加它们所含的糖的可用性来改善这些材料的解聚。巴西能源与材料研究中心(CNPEM)下属的巴西生物可再生资源国家实验室(LNBR)的一个研究小组在坎皮纳斯进行了一项涉及全息技术（基因组学、蛋白质组学、代谢组学等）和同步辐射的跨学科研究，他们发现了由水豚肠道中的微生物产生的两个具有生物技术潜力的新型酶族。CNPEM是一个私人非营利组织，由该国的科学、技术和创新部(MCTI)监督。

据了解，这两个酶家族都作用于植物细胞壁的成分，因此它们可用于生产生物燃料、生物化学品和生物材料。其中一种还在乳品行业有潜在的应用，这是因为它能促进乳糖的降解。

“我们的研究方向之一是探索巴西的多样性以寻求新的微生物机制，进而减少木质纤维素废物的阻力。我们注意到，水豚是一种高度适应的食草动物，它能从顽固的植物废物中获得能量，而且对它的研究还不多，”LNBR的科学主任和报告该研究的文章的最后一位作者Mário Tyago Murakami说道。

水豚是世界上最大的活体啮齿动物，其能非常有效地将植物中含有的糖分转化为能量，不过它在某些方面不受欢迎--因为它可能藏有传播巴西斑疹热的蜱虫，这是一种由立克次氏体细菌引起的罕见但高度致命的传染病。

“对反刍动物的研究很多，尤其是牛，但关于单胃草食动物的资料相对较少。跟反刍动物不同，水牛在盲肠中消化草和其他植物物质，”LNBR的生物信息学研究员、文章的通讯作者Gabriela Felix Persinoti指出，“考虑到它们高效的糖分转化，并且因为皮拉西卡巴地区的水牛以甘蔗和其他植物为食，我们从这样的假设出发：动物消化道中的微生物可能有独特的分子策略来解聚这种生物质，这对巴西工业非常重要。”

新颖的方法

这项研究采用的跨学科方法包括多组学和生物信息学以及CNPEM的粒子加速器。Murakami说道：“我不记得有任何研究结合了所有这些技术，包括使用同步辐射光（一种极亮的电磁辐射源，可以帮助科学家观察材料的内部结构）。在这项研究中，我们的分析从微生物群落一直钻到某些蛋白质的原子结构。”

科学家们分析了从2017年在塔图伊根据当地控制水豚数量的政策而被安乐死的三只雌性水豚的盲肠和直肠采集的样本。这些动物既没有怀孕也没有被立克次体感染。

Persinoti表示：“粪便和直肠样本是通过腹部手术收集的。材料被冷冻在液氮中。DNA和RNA样本在实验室中被提取出来，并使用综合全能技术进行大规模测序。”

他们首先对标记基因进行测序，在这种情况下是16S，它们存在于所有细菌和古细菌中。“通过这第一次测序，我们能够检测出粪便和直肠样本之间的差异并确定其中的主要微生物。基因16S给了我们一个肤浅的答案，即哪些微生物是存在的，并且或多或少地丰富，但并没有告诉我们这些微生物产生了哪些酶或哪些酶存在于它们的基因组中。为此，我们使用了另一种全息技术，即元基因组学。我们将水豚胃肠道中整个微生物群落的DNA提交给大规模测序并获得了更多的数据。通过部署一系列的生物信息学工具，我们不仅能确定每个样本中存在的基因组以及每个基因组中的基因，而且还能发现哪些基因是新的、哪些微生物从未被描述过。通过这种方式，我们能预测那些有可能帮助解聚生物质并将糖转化为能源的基因的功能，”Persinoti说道。

研究人员还想知道在收集样本时哪些微生物最活跃--换言之，微生物实际表达的是哪些基因。为此，他们使用了元转录组学，其原料是RNA。Persinoti指出：“我们使用的另一项技术是代谢组学，以确认微生物正在产生哪些代谢物。结合所有这些来自全息学、生物信息学及实际和潜在的基因表达的信息，我们能破译肠道微生物在实现植物纤维如此高效的转化中的作用并找出哪些基因参与了这一过程。”

然后，他们分析了所有这些数据以确定可能在减少植物纤维顽固性方面发挥关键作用的基因--主要集中在迄今未知的目标。“选择策略的重点是具有丰富的参与植物生物质解聚的基因的新型基因组，”Persinoti说道，“我们看到这些基因在微生物的基因组中是如何组织的并利用这些信息来发现附近是否有功能未知的基因可能参与分解顽固的植物纤维。这非常重要，因为它指导了对新型基因的搜索，但只有当我们能在后期通过实验证明这些结果时我们才能确定这些新型酶家族的产生。”

在确定了这些候选者后，研究人员转而对其功能进行了生化演示。“我们在体外合成了这些基因并使用一种细菌表达它们以产生相应的蛋白质。我们进行了几种酶和生物化学试验以发现这些蛋白质的功能和它们的作用部位。我们利用同步辐射和其他技术确定了这些蛋白质的原子结构。有了这些功能和结构信息，我们就能做其他实验，从而找出这些蛋白质的哪些区域对其活性至关重要并分析其功能的分子机制，”Persinoti解说道。

而据Murakami介绍称，双重验证确保了新型家族确实参与其中。

新型酶和鸡尾酒会

据Persinoti介绍称，新发现的家族之一GH173在食品领域有潜在用途，而另一个家族CBM89则跟碳水化合物识别有关，其可能有助于从甘蔗渣和秸秆中制造第二代乙醇。

研究人员还在用产酶的真菌开发酶鸡尾酒，并且新发现的酶还可以自然地包含在这些真菌平台中。“新型酶家族的发现可以跟技术转让相结合以支持创新，”Murakami说道，“在我们的小组中，我们对探索这个伟大的巴西生物多样性宝藏非常感兴趣，特别是要了解我们所说的暗基因组物质--这些复杂的微生物群落中潜力未知的部分。我们的中心为此拥有优秀的基础设施，再加上我们跟公立大学的合作关系，这使得这种有竞争力的研究能够在巴西进行。事实上，99%的工作，从概念设计到执行、分析和撰写都是在这里完成的。鉴于巴西生物多样性的巨大丰富性，我们有条件和能力做出像这样的高影响力的发现是可以预期的。”