Биотопливо помогут производить коровы

Изучение микроорганизмов, помогающих коровам переваривать траву, позволит повысить эффективность производства биотоплива из растительного сырья.

Первым этапом производства растительного биотоплива является превращение плохо поддающегося обработке растительного сырья, преимущественно состоящего из целлюлозы и лигнина, в сахара, которые впоследствии конвертируются в топливо посредством ферментации. На сегодняшний день процесс расщепления целлюлозы требует большого количества ферментов и является достаточно дорогостоящим, поэтому в качестве сырья производители предпочитают использовать богатые крахмалом кормовые культуры, такие как кукуруза и сахарный тростник. Переход на использование сельскохозяйственных отходов, древесных опилок и обычных травянистых растений автоматически снизит как себестоимость производства, так и нагрузку на окружающую среду.

Корова с отверстием в боку

До сих пор производители биотоплива снижали его себестоимость за счет изменения методов обработки (повышения температуры, давления и т.п.), однако наиболее целесообразным подходом является внедрение новых ферментов, более эффективно расщепляющих растительное сырье.

Исследователи объединенного института по исследованию геномов министерства энергетики США решили подсмотреть решение этой задачи в первом отделе желудка коровы – рубце. Населяющие рубец бактерии с помощью выделяемых ими ферментов успешно расщепляют целлюлозу на простые углеводы уже в течение миллионов лет.

Проблема заключается в том, что примерно 99,9% обитающих на Земле микроорганизмов, в том числе населяющих коровий желудок, невозможно культивировать в лабораторных условиях. В последние годы на помощь специалистам пришла наука метагеномика, методы которой позволяют секвенировать весь генетический материал изучаемой экосистемы (в данном случае, смеси микроорганизмов), после чего провести скрининг полученных данных для выявления необходимых генов.

В 2007 году исследователи попытались разобраться с микроорганизмами, населяющими пищеварительный тракт термитов, которые успешно справляются с перевариванием грубых древесных остатков. Однако пищеварительный тракт термита слишком мал, чтобы предоставить достаточное количество материала и ученым пришлось выбрать более крупный объект для исследования – корову.

Через специальным образом проделанное в боку коровы закрывающееся отверстие (фистулу), они помещали в рубец пучки травы, оставляли их там на 48 часов, после чего извлекали и анализировали генофонд прикрепившихся к траве микроорганизмов. С помощью мощнейших компьютеров Национальной лаборатории Лоуренса Беркли они сопоставили полученные данные с информацией, содержащейся в базе данных известных генов, кодирующих расщепляющие целлюлозу ферменты. Результатом этой работы стало появление новой базы данных, содержащей информацию о 28 тыс. генов. С помощью лабораторных штаммов бактерий исследователи синтезировали 90 белков, кодируемых расшифрованными генами. Около половины из них обладало способностью расщеплять целлюлозосодержащие материалы.

Они считают, что созданная база данных является кладезем ценнейшей информации, работа с которой позволит специалистам найти необходимые ферменты и значительно снизить затраты на производство растительного биотоплива.