Грибковая карта мутаций — ключ к увеличению производства ферментов для биоэнергетики
Грибок Trichoderma reesei за полвека превратился из вредителя, портившего армейское снаряжение во время Второй мировой войны, в промышленный штамм-продуцент ферментов. Теперь он может стать важным инструментом для производства биотоплива в рамках миссии Министерства энергетики США по развитию чистой, возобновляемой энергетики.
Это превращение стало возможным благодаря созданию мутантных штаммов гриба, производящих большое количество ферментов, разлагающих биомассу (целлюлаз). Международная команда учёных из Института совместного генома Министерства энергетики США (DOE JGI), французского исследовательского центра IFP и Венского технического университета впервые провела полногеномный анализ этих мутаций, чтобы понять, как было улучшено производство целлюлаз и как его можно усилить ещё больше.
Неизвестный путь к высокой продуктивности
«Мы хотим понять путь, который мы прошли к высокому производству ферментов, потому что точно неизвестно, что было сделано с этими штаммами», — говорит Скотт Бейкер из DOE JGI, один из старших авторов статьи, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ранее были охарактеризованы лишь три мутации. Новое исследование выявило более 200 мутаций в геноме T. reesei, затрагивающих 60 генов. «Теперь у нас есть план, на основе которого можно проводить будущие исследования, чтобы увидеть, какие гены связаны с ферментами. Если вы можете производить больше ферментов более эффективно, это делает ваш процесс — в данном случае производство биотоплива — более экономичным», — поясняет Бейкер.
От военного вредителя к промышленному штамму
Исходный штамм QM6a был выделен в 1940-х годах. Для создания высокопродуктивных штаммов исследователи подвергали грибок нескольким раундам мутагенеза:
- Два раунда для создания штамма NG14.
- Третий раунд для получения его прямого потомка — RUT C30, который является родительским штаммом для многих промышленных линий.
«Неизвестно, какие из множества индуцированных мутаций ответственны за это увеличение производства. С информацией из этого исследования можно начать понимать, какие мутации участвуют в усилении производства целлюлаз, а какие являются просто “багажом”», — говорит учёный DOE JGI и соавтор исследования Венди Шаквиц.
Картирование мутаций
Используя технологии секвенирования нового поколения (Illumina), команды из Франции и DOE JGI проанализировали изоляты штаммов NG14 и RUT C30. При сравнении с референсным штаммом QM6a исследователи идентифицировали:
- 223 однонуклеотидных варианта (SNV).
- 15 малых вставок или делеций (инделов).
- 18 более крупных делеций.
Было отмечено, что в результате селекции на повышение продукции целлюлаз штаммы NG14 и RUT C30 также приобрели сниженные темпы роста на аминокислотах и пониженное использование лактозного пути.
Значение для промышленности и будущих исследований
«Большинство, если не все штаммы T. reesei, которые сегодня используются для промышленного производства целлюлаз, произошли от изолята QM6a и его потомков», — подтверждает соавтор Рэнди Берка из компании Novozymes, одного из крупнейших мировых производителей промышленных ферментов. Методы улучшения штаммов могут вносить и негативные изменения в геном, влияющие на жизнеспособность организма.
Теперь, имея карту мутаций, исследователи могут изучать эффект каждой из них. «Определяя изменения, ответственные за улучшения, и эффекты негативных изменений, мы можем многое узнать о компонентах клеток T. reesei, которые можно дополнительно “настроить” для создания более продуктивных штаммов», — добавляет соавтор Майкл Рей из Novozymes. Это может быть критически важно для разработки штаммов, производящих ферменты достаточно дёшево для таких требовательных применений, как производство целлюлозного этанола.
Исследование стало результатом международного сотрудничества, инициированного после того, как команды из разных стран осознали, что секвенируют геномы разных штаммов T. reesei, и объединили усилия для получения более полной картины.
Источник: DOE/Joint Genome Institute