現(xiàn)在，巴西的科學(xué)家們正從大自然中尋找線索，以了解如何通過增加它們所含的糖的可用性來改善這些材料的解聚。巴西能源與材料研究中心(CNPEM)下屬的巴西生物可再生資源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LNBR)的一個(gè)研究小組在坎皮納斯進(jìn)行了一項(xiàng)涉及全息技術(shù)（基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等）和同步輻射的跨學(xué)科研究，他們發(fā)現(xiàn)了由水豚腸道中的微生物產(chǎn)生的兩個(gè)具有生物技術(shù)潛力的新型酶族。CNPEM是一個(gè)私人非營(yíng)利組織，由該國(guó)的科學(xué)、技術(shù)和創(chuàng)新部(MCTI)監(jiān)督。

據(jù)了解，這兩個(gè)酶家族都作用于植物細(xì)胞壁的成分，因此它們可用于生產(chǎn)生物燃料、生物化學(xué)品和生物材料。其中一種還在乳品行業(yè)有潛在的應(yīng)用，這是因?yàn)樗艽龠M(jìn)乳糖的降解。

“我們的研究方向之一是探索巴西的多樣性以尋求新的微生物機(jī)制，進(jìn)而減少木質(zhì)纖維素廢物的阻力。我們注意到，水豚是一種高度適應(yīng)的食草動(dòng)物，它能從頑固的植物廢物中獲得能量，而且對(duì)它的研究還不多，”LNBR的科學(xué)主任和報(bào)告該研究的文章的最后一位作者M(jìn)ário Tyago Murakami說道。

水豚是世界上最大的活體嚙齒動(dòng)物，其能非常有效地將植物中含有的糖分轉(zhuǎn)化為能量，不過它在某些方面不受歡迎--因?yàn)樗赡懿赜袀鞑グ臀靼哒顭岬尿缦x，這是一種由立克次氏體細(xì)菌引起的罕見但高度致命的傳染病。

“對(duì)反芻動(dòng)物的研究很多，尤其是牛，但關(guān)于單胃草食動(dòng)物的資料相對(duì)較少。跟反芻動(dòng)物不同，水牛在盲腸中消化草和其他植物物質(zhì)，”LNBR的生物信息學(xué)研究員、文章的通訊作者Gabriela Felix Persinoti指出，“考慮到它們高效的糖分轉(zhuǎn)化，并且因?yàn)槠だ骺ò偷貐^(qū)的水牛以甘蔗和其他植物為食，我們從這樣的假設(shè)出發(fā)：動(dòng)物消化道中的微生物可能有獨(dú)特的分子策略來解聚這種生物質(zhì)，這對(duì)巴西工業(yè)非常重要。”

新穎的方法

這項(xiàng)研究采用的跨學(xué)科方法包括多組學(xué)和生物信息學(xué)以及CNPEM的粒子加速器。Murakami說道：“我不記得有任何研究結(jié)合了所有這些技術(shù)，包括使用同步輻射光（一種極亮的電磁輻射源，可以幫助科學(xué)家觀察材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）。在這項(xiàng)研究中，我們的分析從微生物群落一直鉆到某些蛋白質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。”

科學(xué)家們分析了從2017年在塔圖伊根據(jù)當(dāng)?shù)乜刂扑鄶?shù)量的政策而被安樂死的三只雌性水豚的盲腸和直腸采集的樣本。這些動(dòng)物既沒有懷孕也沒有被立克次體感染。

Persinoti表示：“糞便和直腸樣本是通過腹部手術(shù)收集的。材料被冷凍在液氮中。DNA和RNA樣本在實(shí)驗(yàn)室中被提取出來，并使用綜合全能技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模測(cè)序。”

他們首先對(duì)標(biāo)記基因進(jìn)行測(cè)序，在這種情況下是16S，它們存在于所有細(xì)菌和古細(xì)菌中。“通過這第一次測(cè)序，我們能夠檢測(cè)出糞便和直腸樣本之間的差異并確定其中的主要微生物。基因16S給了我們一個(gè)膚淺的答案，即哪些微生物是存在的，并且或多或少地豐富，但并沒有告訴我們這些微生物產(chǎn)生了哪些酶或哪些酶存在于它們的基因組中。為此，我們使用了另一種全息技術(shù)，即元基因組學(xué)。我們將水豚胃腸道中整個(gè)微生物群落的DNA提交給大規(guī)模測(cè)序并獲得了更多的數(shù)據(jù)。通過部署一系列的生物信息學(xué)工具，我們不僅能確定每個(gè)樣本中存在的基因組以及每個(gè)基因組中的基因，而且還能發(fā)現(xiàn)哪些基因是新的、哪些微生物從未被描述過。通過這種方式，我們能預(yù)測(cè)那些有可能幫助解聚生物質(zhì)并將糖轉(zhuǎn)化為能源的基因的功能，”Persinoti說道。

研究人員還想知道在收集樣本時(shí)哪些微生物最活躍--換言之，微生物實(shí)際表達(dá)的是哪些基因。為此，他們使用了元轉(zhuǎn)錄組學(xué)，其原料是RNA。Persinoti指出：“我們使用的另一項(xiàng)技術(shù)是代謝組學(xué)，以確認(rèn)微生物正在產(chǎn)生哪些代謝物。結(jié)合所有這些來自全息學(xué)、生物信息學(xué)及實(shí)際和潛在的基因表達(dá)的信息，我們能破譯腸道微生物在實(shí)現(xiàn)植物纖維如此高效的轉(zhuǎn)化中的作用并找出哪些基因參與了這一過程。”

然后，他們分析了所有這些數(shù)據(jù)以確定可能在減少植物纖維頑固性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用的基因--主要集中在迄今未知的目標(biāo)。“選擇策略的重點(diǎn)是具有豐富的參與植物生物質(zhì)解聚的基因的新型基因組，”Persinoti說道，“我們看到這些基因在微生物的基因組中是如何組織的并利用這些信息來發(fā)現(xiàn)附近是否有功能未知的基因可能參與分解頑固的植物纖維。這非常重要，因?yàn)樗笇?dǎo)了對(duì)新型基因的搜索，但只有當(dāng)我們能在后期通過實(shí)驗(yàn)證明這些結(jié)果時(shí)我們才能確定這些新型酶家族的產(chǎn)生。”

在確定了這些候選者后，研究人員轉(zhuǎn)而對(duì)其功能進(jìn)行了生化演示。“我們?cè)隗w外合成了這些基因并使用一種細(xì)菌表達(dá)它們以產(chǎn)生相應(yīng)的蛋白質(zhì)。我們進(jìn)行了幾種酶和生物化學(xué)試驗(yàn)以發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)的功能和它們的作用部位。我們利用同步輻射和其他技術(shù)確定了這些蛋白質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。有了這些功能和結(jié)構(gòu)信息，我們就能做其他實(shí)驗(yàn)，從而找出這些蛋白質(zhì)的哪些區(qū)域?qū)ζ浠钚灾陵P(guān)重要并分析其功能的分子機(jī)制，”Persinoti解說道。

而據(jù)Murakami介紹稱，雙重驗(yàn)證確保了新型家族確實(shí)參與其中。

新型酶和雞尾酒會(huì)

據(jù)Persinoti介紹稱，新發(fā)現(xiàn)的家族之一GH173在食品領(lǐng)域有潛在用途，而另一個(gè)家族CBM89則跟碳水化合物識(shí)別有關(guān)，其可能有助于從甘蔗渣和秸稈中制造第二代乙醇。

研究人員還在用產(chǎn)酶的真菌開發(fā)酶雞尾酒，并且新發(fā)現(xiàn)的酶還可以自然地包含在這些真菌平臺(tái)中。“新型酶家族的發(fā)現(xiàn)可以跟技術(shù)轉(zhuǎn)讓相結(jié)合以支持創(chuàng)新，”Murakami說道，“在我們的小組中，我們對(duì)探索這個(gè)偉大的巴西生物多樣性寶藏非常感興趣，特別是要了解我們所說的暗基因組物質(zhì)--這些復(fù)雜的微生物群落中潛力未知的部分。我們的中心為此擁有優(yōu)秀的基礎(chǔ)設(shè)施，再加上我們跟公立大學(xué)的合作關(guān)系，這使得這種有競(jìng)爭(zhēng)力的研究能夠在巴西進(jìn)行。事實(shí)上，99%的工作，從概念設(shè)計(jì)到執(zhí)行、分析和撰寫都是在這里完成的。鑒于巴西生物多樣性的巨大豐富性，我們有條件和能力做出像這樣的高影響力的發(fā)現(xiàn)是可以預(yù)期的。”