Как бактерии разлагают лигнин: ключ к лучшим биотопливам

Производство биотоплива из растительной биомассы — многообещающий источник энергии. Ключевая задача — найти микроорганизмы, эффективно разлагающие устойчивый лигнин. Новое комплексное геномное и метаболомное исследование известной лигнин-разлагающей бактерии раскрывает механизмы этого процесса.

Поскольку первый этап получения биотоплива из растений — разложение сложного лигноцеллюлозного комплекса на более простые «строительные блоки», понимание природных механизмов этого процесса критически важно. Новое исследование выявило базовые инструменты, которые использует конкретный микроб для разложения лигноцеллюлозы. Эта работа показывает, как можно улучшить промышленные процессы деградации при производстве биотоплива, а также использовать побочные процессы, например, производство водорода.

Лигноцеллюлозная биомасса составляет почти 90% сухого веса растительного материала и представляет собой композицию целлюлозы и лигнина. Лигнин придаёт жёсткость и устойчивость к гниению клеточным стенкам древесины и коры. Это сложная сшитая фенольная структура, делающая биотопливо из лигноцеллюлозы перспективной альтернативной энергией, при условии что устойчивый материал можно разложить, а токсичные побочные продукты — контролировать. Микробные виды, растущие в средах, где углерод в основном доступен в виде лигнина, перспективны для поиска новых способов удаления лигнина, защищающего целлюлозу, для улучшения конверсии лигнина в предшественники топлива.

Один из видов-кандидатов, способных использовать лигнин для роста в отсутствие кислорода, — Enterobacter lignolyticus SCF1, бактерия, выделенная из почвы тропического леса. Международная команда исследователей провела полный анализ экспрессии генов E. lignolyticus SCF1 с помощью секвенирования нового поколения для транскриптомного анализа. Эксперименты проводились на клетках, выращенных в присутствии лигнина, с отбором проб в три разных момента роста.

Ключевые результаты:

• Культуры с лигнином достигли вдвое большей биомассы клеток, чем культуры, выращенные без лигнина.
• Было разложено 60% доступного лигнина.
• В условиях с лигнином была повышена экспрессия целого набора ферментов, соответствующих разрушению химических структур лигнина.
• Обнаруженная связь производства водорода с деградацией лигнина указывает на возможную дополнительную ценность этого процесса в будущем.