Консорциум подвижных и целлюлозоразрушающих бактерий для твердофазного гидролиза целлюлозы

Гидролиз целлюлозы имеет множество промышленных применений в производстве биотоплива, пищевой, бумажной, косметической, фармацевтической промышленности и текстильном производстве. Исследовательская группа профессора Эшеля Бен-Яакова из Тель-Авивского университета продемонстрировала новый подход к гидролизу целлюлозы с использованием консорциума подвижных бактерий, которые перемещаются по твердым поверхностям и несут «микробный багаж» — другие бактерии, эффективно гидролизующие целлюлозу.

Целлюлоза — самый распространенный полисахарид на Земле, но также один из самых трудно гидролизуемых. Текущие методы конверсии целлюлозных материалов в возобновляемую энергию включают химический или биологический гидролиз с последующей ферментацией сахаров в этанол/бутанол. Биологический (энзиматический) гидролиз экономически выгоднее химического, так как проводится в мягких условиях и не вызывает проблем с коррозией. Обычно биологический гидролиз проводят в жидкой среде, однако твердофазный гидролиз финансово более целесообразен из-за меньших капитальных вложений и эксплуатационных расходов. Большинство целлюлолитических бактерий — анаэробы с очень низкой скоростью роста и низким титром ферментов.

В данном исследовании использовали рекомбинантный штамм E. coli — аэробных бактерий с высокой скоростью роста и титром ферментов. E. coli содержит гены β-глюкозидазы и целлюлазы (на плазмиде pCellulose, созданной в лаборатории проф. Джея Кислинга). Неподвижная E. coli эффективно разрушала целлюлозу как в жидкой, так и в твердой среде.

Новизна подхода заключается в использовании рекомбинантной E. coli в качестве «микробного багажа» для другой высокоподвижной бактерии — Paenibacillus vortex. Paenibacillus vortex известна своей способностью к роению (координированному перемещению по твердым поверхностям с помощью жгутиков) и сотрудничеству с другими микроорганизмами, перенося их в специализированных структурах, называемых вихрями. Таким образом, два вида бактерий создают взаимовыгодный консорциум, в котором Paenibacillus vortex обеспечивает подвижность, а E. coli расщепляет целлюлозу на мономеры и димеры, делая её доступной для усвоения обоими микроорганизмами.

Более того, Paenibacillus vortex способна расщеплять ксилан, внося собственные ферменты в консорциум и делая его ещё более эффективным для деградации растительного материала. Поскольку Paenibacillus vortex может роиться на твердых средах, консорциум может быть применим для твердофазного гидролиза растительных материалов, таких как остатки урожая. Это применение требует дополнительных исследований и, возможно, добавления других микроорганизмов для ферментации. Если метод окажется работоспособным, он позволит упростить и удешевить процесс гидролиза целлюлозы.