Исследование лигнина раскрывает новые детали о роли бактерий в его разложении
Совместное исследование Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и трёх других национальных лабораторий дало новое понимание способности бактерий расщеплять устойчивый компонент растений — лигнин.
Это дополнительное понимание процесса может открыть путь к промышленному применению.
Растения защищены сложной клеточной стенкой, состоящей из полимеров целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Первые два компонента можно различными методами разложить на сахара и превратить в ценные биотоплива и биопродукты. Однако лигнин оказался устойчивым, и его использование в значительной степени ограничено.
«Более века исследователи пытались понять, что делать с лигнином», — сказал Грегг Бекхэм, исследователь из NREL и старший автор новой статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — «Есть известная фраза об этом полимере: из лигнина можно сделать что угодно, кроме денег».
Но точное понимание того, как бактерии способны переваривать и использовать лигнин, — это шаг к созданию чего-то ценного.
Новое исследование основывается на предыдущих наблюдениях в NREL, о которых сообщалось в 2015 году, о способности 14 штаммов бактерий расщеплять олигомеры лигнина и использовать эти компоненты. Обладая этими знаниями, исследователи из NREL начали совместную работу по изучению трёх бактерий, которые лучше всего справлялись с атакой на лигнин.
Новая статья под названием «Outer membrane vesicles catabolize lignin-derived aromatic compounds in Pseudomonas putida KT2440» является результатом работы в NREL, Национальной лаборатории Аргонн, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Лаборатории экологической молекулярной науки в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Исследование финансировалось Центром инноваций в области биоэнергетики при поддержке Управления биологических и экологических исследований в Управлении науки Министерства энергетики США.
«Это командная работа, потребовавшая участия химиков по лигнину, молекулярных биологов, микроскопистов, микробиологов и специалистов по системной биологии», — сказал Бекхэм. Его соавторы из NREL: Давиния Сальвачуа, Эллисон Вернер, Исабель Пардо, Бренна Блэк, Брайон Доногью, Стефан Хауген, Руи Катахира, Сандра Нотон, Келси Рамирес и Антонелла Аморе.
Новое исследование изучило три наиболее эффективные бактерии, способные преобразовывать часть олигомеров лигнина. В начале проекта исследователи не знали, как бактериям удаётся это сделать. Они предположили, что олигомеры лигнина не могут проникнуть через клеточную мембрану бактерий, поэтому теоретизировали, что что-то должно происходить вне клетки для их расщепления. Они проверили эту теорию, изучив, какие белки обнаруживаются вне клетки, когда бактерии питаются лигнином.
Одна бактерия — Pseudomonas putida KT2440 — производила значительно больше всего белков.
Пристальный взгляд на бактерии под микроскопами в NREL и Национальной лаборатории Аргонн показал, что бактерии выделяют внешние мембранные везикулы (outer membrane vesicles, OMVs). Учёные из NREL и Ок-Риджа затем совместно работали, чтобы дать частичный ответ на вопрос, что находится внутри этих везикул: а именно ферменты, способные модифицировать соединения, родственные лигнину.
Исследование далеко от завершения. Бекхэм отметил, что пройдёт несколько лет, прежде чем будет полностью понятно, как именно бактерии расщепляют лигнин.
«У нас ещё нет полной картины, — сказал он, — но мы знаем немного больше, чем пять лет назад».