写于 2018-11-22 12:03:04| 千赢国际登录| 娱乐
<p>在这张照片中,麻省理工学院的研究人员从马粪中分离出的厌氧真菌被认为是小麦秸秆的定殖</p><p>真菌呈现出深色的椭圆形状,形成了消化系统中厌氧真菌典型的秸秆行为,因为这种肠道真菌往往与固体有关,在液体肠道样品的分析中没有发现它们因此,它们的存在及其对肠道中纤维素降解的贡献通常被低估了</p><p>为了在酵母中复制厌氧真菌的纤维素破坏能力并产生潜在的成本 - 有效的单一生物体制造纤维素生物燃料的过程,麻省理工学院的生物学家和遗传测序专家开发了一种新的分析方法,使他们能够确定肠道真菌中哪些酶是植物消化的关键参与者以及这些酶是如何制造和组装的麻省理工学院的研究人员是基因工程酵母,将顽固的植物纤维分解成糖然后,它可以发酵 - 迈向制造纤维素生物燃料的潜在成本效益的单一生物体过程的第一步遗传物质的来源:来自仅有干草的饮食的马的消化系统的厌氧真菌通过与遗传组合在麻省理工学院的测序专家,研究人员开发了一种新的分析方法,使他们能够确定肠道真菌中的哪些酶是植物消化中的关键参与者以及这些酶是如何制造和组装的 - 这些信息将帮助他们复制真菌的纤维素 - 破坏酵母中的能力他们的方法可以揭示新的酶,这些酶是冠军纤维素降解物,但只能在不能在实验室中生长的未知生物体中自然发生</p><p>可再生燃料的一个有希望的来源是来自农业残留物,草和其他专用能源作物的生物量</p><p>将这种纤维素生物质转化为能够替代石油的富含能量的燃料,特别是在运输系统中一般来说,这些方法使用酶和化学物质将植物生物质分解成糖类如葡萄糖,然后将其喂入微生物以发酵糖以制备乙醇,丁醇和其他终产物但这种方法不经济广泛使用可行,主要是由于与酶生产和活性相关的费用以及将纤维素加工分成许多步骤的相关成本,麻省理工学院的教务长克里斯凯撒和MacVicar生物学教授认为,更好的方法是基因工程可以分解纤维素和发酵产品的单一生物 - 他认为这项工作的最佳生物是酵母“我们已经知道如何通过遗传修饰酵母来控制其代谢途径,我们在使用酵母方面拥有丰富的经验以工业规模进行发酵,“凯撒说,实施他的想法所需的步骤是众所周知的:选择一个组织m,自然地消化纤维素,确定参与该过程的关键酶,确定哪些基因表达这些酶,检索这些基因,并将它们插入酵母中这样的工程酵母可以很容易地投入工业过程并扩大规模用于生物燃料生产研究人员Kaiser的实验室知道酵母:他们将其用作研究许多基本细胞过程的模式生物体但基因工程酵母加工纤维素生物质是一个新概念,并为他们提供新的方向Kaiser说,这个想法“是由麻省理工学院能源倡议种子基金引发的并且已经发展成为麻省理工学院更广泛的研究工作和寻找用于制造生物燃料的改良生物和酶的新思路“寻找酶的首要任务是找到纤维素降解或”纤维素分解“的酶,这些酶可以很好地发挥作用在酵母中一个好看的地方是在大型食草动物如牛和马的消化道中这样的动物缺点大量的草和干草,以及消化道的一部分含有细菌,真菌和原生动物的混合物,优化消化那些难以处理的材料在瘤胃或后肠中寻找纤维素分解酶的想法并不新鲜,但通常关注的重点是细菌 - 工业微生物学世界的主力然而,来自细菌的基因通常不会在酵母中有效地表达酶 来自真菌的基因会更好地起作用,但对大型哺乳动物食草动物中的真菌知之甚少</p><p>人们普遍接受的观点是它们在大型食草动物的消化道中以非常低的浓度存在,因此它们不能成为纤维素消化中的关键参与者</p><p>此外,它们极难在实验室中分离和培养,因为它们需要精心控制的生长条件,包括没有氧气将这种“专性厌氧菌”暴露于氧气并且它会死亡结果:厌氧真菌在很大程度上被忽视了凯撒和他的同事Michelle O'Malley,USDA-NIFA生物学博士后研究员,现在是加州大学圣塔芭芭拉分校的化学工程助理教授,他认为这些真菌不应该如此容易被解雇</p><p>一方面,检测低浓度的真菌的分析肠道真菌仅测试液体样本“但我们感兴趣的厌氧真菌几乎总是被挖掘到他们正在消化的纤维素纤维,“O'Malley确实说,包含液体和固体部分的分析表明,真菌可以达到微生物数量的20%</p><p>此外,这些真菌被认为是最有效和最强大的已知的“木质纤维素”消化剂 - 也就是说,不仅是纤维素而且还有与其一起出现的其他物质,特别是半纤维素和木质素,植物细胞壁中的聚合物非常坚韧并且可以阻挡纤维素本身的进入,这进一步使其崩溃变得复杂在厌氧真菌中,关键酶的活性受到菌丝 - 分枝,线状细丝的作用的帮助,这些细丝可以穿透植物材料并机械地分解,而真菌可能不是消化道中的主要微生物种群,它们显然在降解肠道中的纤维素方面起主要作用鉴于厌氧真菌的显着能力及其与酵母,Kaiser和O的潜在相容性Malley决定他们应该学会与他们一起工作2011年冬天,O'Malley在英国的一个实验室工作了五周,与现任杜伦大学和英国过程创新中心的Michael Theodorou教授一起学习世界上少数人“能够教会她分离,分类和培养这些具有挑战性的生物所需的技能和技术的第一步,新的挑战首先,麻省理工学院的团队旨在确定真菌的基因是否会表达纤维素分解酶在酵母中为了进行筛选,O'Malley将已知的纤维素分解基因从最佳理解类型的瘤胃真菌Piromyces中插入酵母中,在那里它们生长并以高水平表达目的酶</p><p>然而,一些表达的酶不是反应性的对纤维素来说,很难确定O'Malley和Kaiser为什么不同意他们需要更好地了解纤维素分解酶的制作方法和歌剧在他们的原生环境中 - 也就是说,在Piromyces内部实际上,为了获得最佳结果,他们需要详细了解该过程至少需要三种类型的酶来将纤维素聚合物切割成较短的区段如果这些酶通过随机碰撞而起作用纤维素材料,这个过程将是非常低效的为了加快速度,数百万年来,肠道细菌和真菌学会了在称为支架的Kaiser支持分子上组装酶产生基因组,将这种整体结构 - 纤维素体 - 比作一个工作台,其基因被束缚和间隔,以便表达的酶可以协同降解纤维素纤维的所有组分理想情况下,研究人员将复制酵母内的这种真菌纤维素酶的组装和操作但首先他们需要定义组成和结构Piromyces中完整的纤维小体 - 一个最好的真菌样本中完成的任务在这样的样本中,O'Malley收集了位于康科德的Verrill Farm Stables的一匹名为Finn的马的粪便,Mass Finn只吃草和干草,所以他的消化系统很好地适应纤维素破坏,他的粪便含有高纤维素降解微生物首先,O'Malley在草地和抗生素上生长样本以抑制细菌和细菌消耗原生动物的生长</p><p>然后她从混合物中取出一小部分样品并在纤维素底物存在下生长 在两个月内多次进行该过程产生了一种“分离物” - 一种单一类型的真菌,似乎是一种新的Piromyces物种,从未被表征或命名为在新物种中寻找纤维素分解酶和纤维素酶,研究人员正在开发一种称为分解代谢调节的自然过程一般来说,生物体不会消耗能量来产生消化纤维素等难处理材料的酶,如果它们有更容易消化的物质,如葡萄糖“那么我们可以让生物体告诉我们它最有价值的东西用于分解纤维素的酶,“O'Malley说,因此,她正在种植葡萄糖上的一些真菌 - 这种设置应该关闭纤维素破坏所需的基因</p><p>其他样品只能获得纤维素,这应该打开所有这些基因以获得最大的表达产生的文化将给她一个“合理,有针对性的方式来寻找实际的酶和重要的纤维素酶对于降解纤维素的生物体,“O'Malley说道 - 可能包括一些新的,与迄今已知的那些完全不同这些曲线显示厌氧肠道真菌在各种基质上生长的速度(生长的真菌会产生增加压力的气态副产物)因此,累积压力是生长速度的指标</p><p>正如预期的那样,易于消化的葡萄糖生长速度最快,木糖生长最慢,木糖是在坚硬的植物墙壁中发现的半纤维素的前体</p><p>这些培养物的分析将有助于麻省理工学院研究人员确定哪些酶用于消化特定底物,包括纤维素生物质中存在的顽固物质遗传分析下一步 - 现在正在进行 - 是确定重要基因和基因组以及它们在生物体DNA上的位置</p><p>凯撒说,好消息是,他附近有麻省理工学院的同事,他们是世界领先的专家那些任务MIT BioMicro中心的研究人员正在进行O'Malley样品的下一代基因组测序,特别是信使RNA(mRNA),它是负责制造酶的DNA片段的复制品</p><p>然而,基因读数将代表mRNA的孤立片段而不是完整的基因,所以另一个任务是找出哪些片段属于一起在麻省理工学院和哈佛大学,生物学副教授Aviv Regev,她的团队开发了新的“装配算法”,非常适合进行重建“综合起来,这些方法将为我们提供简明的清单,因为mRNA只能复制制造酶所需的部分DNA,”Kaiser说道,并且存在的副本数量告诉你关于表达水平的东西在纤维素上生长的样品中,与纤维素分解基因相对应的mRNA应该有很多很多拷贝</p><p>在葡萄糖生长的样本中这是一种非常强大的方法“需要采用的另一种技术是聚类分析计算机可以通过编程来检查遗传研究中的数百万个数据点并寻找表达水平的相关性而不考虑其他因素,它简单地将表达相同水平的基因分组 - 这表明这些基因被生物“共同调节”,因此可能在某种程度上一起发挥作用基于该假设,包括已知纤维素分解基因的组可以也包括未知的,其中可能是纤维素体的一些组成部分虽然O'Malley正在研究单个纯真菌中的基因,Kaiser实验室的其他组织正在使用类似的方法来量化特定基因家族在擅长的复杂混合物中的表达消化纤维素从那里,他们可以提取新的感兴趣的基因序列,将它们插入酵母,并检查酶的作用结果 - 发现有希望的新基因而不必识别或培养其亲本生物的方法“这种方法的美妙之处在于我们可以找到来自我们无法在实验室中生长的生物的纤维素分解基因,”凯撒说</p><p>这是微生物学中令人兴奋的新领域之一</p><p>这是一种规避经典方法的局限性的方法,在这种方法中你只能研究你可以培养的东西 - 而这只是生活中的一小部分</p><p>“总的来说,新的麻省理工学院的活动应该扩大已知生物和酶的名单,将植物材料降解为可发酵产品 - 无论是在马的消化系统中,在池塘的地板上,还是在生物燃料制造厂中这项研究最初得到了麻省理工学院能源倡议的种子资助,博士后研究员Michelle O'Malley随后获得了Whiting基金会奖学金和美国农业部 - 国家食品和农业研究所博士后奖学金的支持</p><p>生物学家支持她与杜伦大学Michael Thodorou教授和英国工艺创新中心M O'Malley,M Theodorou和C Kaiser的合作“评估酵母菌中Piromyces sp E2原生厌氧真菌纤维蛋白酶的表达和催化活性cerevisiae“环境进步与可持续能源”,第31卷,第1期,第37页 - 2012年4月46日来源:麻省理工学院能源倡议的Nancy W Stauffer;麻省理工学院新闻办公室图片:

作者:是踮