211service.com
Le mucche potrebbero rendere migliori i biocarburanti?
Uno studio sui microbi che consentono alle mucche di digerire l'erba potrebbe portare a metodi migliori per produrre biocarburanti cellulosici.
Moo-crobes: Gli scienziati hanno avuto accesso al rumine di questa mucca attraverso l'apertura visibile sul lato sinistro dell'animale. I ricercatori hanno utilizzato sacchi di erba del ramo posti all'interno del rumine delle mucche per catturare i microbi che possono fermentare la pianta dura.
I biocarburanti ottenuti da scarti agricoli, segatura ed erba della prateria promettono di essere più economici dei biocarburanti derivati da mais, canna da zucchero e altre colture alimentari.
Il primo passo nei biocarburanti cellulosici è convertire materiali vegetali resistenti fatti di cellulosa e lignina in zuccheri che possono poi essere fermentati per produrre combustibili. Ma questo è costoso e attualmente richiede una grande quantità di enzimi per abbattere la cellulosa. Stiamo parlando di carichi di camion, dice Frances Arnold , un professore di ingegneria chimica al Caltech che non era coinvolto nella ricerca sulle mucche. Abbiamo bisogno di una riduzione da due a cinque volte del costo degli enzimi, afferma.
Al contrario, i microbi che vivono nella parte del tratto digestivo bovino chiamata rumine trasformano efficacemente la cellulosa in zucchero da milioni di anni. I ricercatori sperano che un nuovo database di 28.000 geni sequenziati da microbi coinvolti nella digestione bovina aiuterà gli ingegneri a trovare nuovi enzimi e ridurre i costi di produzione di biocarburanti cellulosici.
Finora, i produttori hanno ridotto i costi di produzione degli enzimi cellulolitici principalmente modificando i metodi di lavorazione. Un altro approccio sarebbe quello di creare enzimi che funzionino più velocemente o che funzionino in condizioni diverse, come temperature estreme, che potrebbero facilitare la scomposizione della materia vegetale. Per iniziare a ridurre i costi di produzione di biocarburanti cellulosici, abbiamo bisogno di nuovi enzimi che facciano di più, afferma Eddy Rubin , direttore del Joint Genome Institute del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Rubin ha condotto lo studio sui microbi delle mucche.
Il problema è che si stima che il 99,9 per cento di tutti i microbi sulla terra, compresi quelli nel rumine bovino, non possa essere coltivato in coltura in laboratorio. Quindi i bioprospettori alla ricerca di enzimi microbici naturali con promesse industriali hanno avuto un pool di materiale molto limitato con cui lavorare. Fortunatamente, le nuove tecnologie di sequenziamento genico stanno cambiando questo, consentendo ai ricercatori di scoprire gli enzimi microbici guardando nei loro geni. Senza dover coltivare microbi in laboratorio, i ricercatori possono sequenziare tutto il materiale genetico presente in un intero ecosistema, quindi esaminare questi dati per i geni di interesse. Questo tipo di ricerca è chiamato metagenomica.
Il gruppo di Rubin ha iniziato la ricerca di enzimi cellulolitici migliori studiando le termiti nel 2007. I microbi che vivono nelle budella delle termiti fermentano il legno grezzo in zuccheri. Il problema con le termiti, dice Rubin, era che era difficile ottenere molto materiale con cui lavorare perché le budella delle termiti sono piccole. Gli studi non hanno generato molti dei geni a lunghezza intera necessari per produrre enzimi funzionanti.
Il rumine della mucca può contenere oltre 150 litri di cibo digeribile, offrendo ai ricercatori molto materiale con cui lavorare. Le mucche sono soggetti di prova particolarmente vantaggiosi per questo tipo di studio per un altro motivo. Gli scienziati agrari hanno sviluppato un sistema per inserire un'apertura coperta da una finestra nel rumine delle mucche. È letteralmente possibile guardare nello stomaco attraverso questa finestra, chiamata fistola, e inserire campioni sperimentali all'interno e poi estrarli. Lavorando con i ricercatori dell'Università dell'Illinois che hanno mucche dotate di fistole nel campus, i ricercatori del Joint Genome Institute hanno messo sacchi di erbaccia nello stomaco delle mucche, le hanno lasciate riposare per 48 ore e le hanno tirate fuori di nuovo. Si presumeva che i microbi trovati aderenti all'erba del ramo fossero coinvolti nella sua fermentazione.
I ricercatori hanno quindi separato i microbi, li hanno scomposti e sequenziato tutto il materiale genetico che hanno trovato. I ricercatori sono stati in grado di produrre un'enorme quantità di dati sui geni e su alcuni dei genomi trovati nel rumine della mucca. Hanno trovato circa 250 miliardi di paia di basi di geni, circa 10 volte più di quanto costituiscono il genoma umano.
La sfida era quindi interpretare tutti quei dati. Utilizzando le strutture di calcolo ad alte prestazioni del Lawrence Berkeley National Lab in California, il gruppo ha confrontato le sequenze di microbi delle mucche con un database di sequenze note per codificare enzimi che scompongono i carboidrati. Ciò ha portato a un pool di 28.000 geni per ulteriori studi. I ricercatori hanno quindi utilizzato batteri di laboratorio per produrre le proteine codificate da 90 di questi geni e ne hanno testato la funzionalità. Circa la metà di loro è stata in grado di scomporre i materiali cellulosici.
Oltre ai 28.000 geni identificati, i ricercatori sono stati in grado di riassemblare i genomi di diverse specie microbiche precedentemente sconosciute. Per testare questa parte dello studio, hanno isolato una singola cellula batterica non coltivabile dai campioni di rumine e ne hanno sequenziato il genoma. Corrispondeva a uno di quelli che avevano assemblato. Questo controllo della realtà biologica ci rende abbastanza fiduciosi, afferma Rubin.
Non è chiaro come verrà utilizzato il nuovo database. È un'enciclopedia che le persone possono tirare fuori, dice Rubin.
Gli sforzi precedenti per trovare nuovi enzimi cellulitici non hanno portato a molto. Ci sono due modi per farlo. Uno è cercare di rendere gli enzimi più attivi. Un altro modo, che Rubin e Arnold di Caltech considerano entrambi più promettenti, è quello di trovare o produrre enzimi che non solo siano più attivi, ma funzionino anche in condizioni estreme che potrebbero aiutare a facilitare la rottura di piante resistenti, come quelle ad alta temperatura, alta -soluzioni saline: condizioni che destabilizzano gli enzimi odierni.
Nel frattempo, i ricercatori stanno applicando l'analisi metagenomica ad altre comunità microbiche che fermentano piante resistenti. David Weiner, capo della ricerca e sviluppo presso la società di enzimi Verenium , afferma che la sua azienda dispone già di enzimi microbici termiti nella sua pipeline di valutazione dei prodotti. La società è stata coinvolta nei precedenti studi sulle termiti condotti dai ricercatori del Joint Genome Institute e ha sviluppato una piattaforma per accelerare la sperimentazione di nuovi enzimi. Weiner afferma che l'azienda sta anche cercando geni enzimatici in altri ruminanti, comprese le zebre, e in campioni prelevati, ad esempio, da tronchi in decomposizione. Lo scorso autunno Verenium ha venduto parte della sua attività nel campo degli enzimi cellulolitici a BP.