可持續(xù)生物燃料商業(yè)化生產(chǎn)中最大的障礙之一是經(jīng)濟(jì)有效地將生物能源作物分解成糖，然后轉(zhuǎn)化為燃料。為了減少這種障礙，生物能源研究人員正在尋找大自然和估計(jì)的150萬種真菌，這些真菌總共可以分解地球上幾乎所有物質(zhì)，包括植物生物量。

正如2017年5月26日在加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的自然微生物學(xué)小組所報(bào)告的那樣，早期的真菌譜系可以形成能夠降解植物生物量的酶復(fù)合物。通過將這些酶合并到蛋白質(zhì)裝配線中，他們可以比個(gè)體更有效地合作。這項(xiàng)工作是通過利用美國(guó)能源部(DOE)科學(xué)辦公室用戶設(shè)施的能力實(shí)現(xiàn)的：美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(JGI)在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室) ; 并且，在環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMSL)在西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL) 。

“在細(xì)菌中存在稱為纖維素酶的蛋白質(zhì)復(fù)合物，它們將酶組合在一起以分解植物生物量，”加州大學(xué)圣巴巴拉分校的資深作者M(jìn)ichelle O'Malley說。“我們的想法是，這些集群在攻擊生物質(zhì)方面更勝一籌，因?yàn)樗鼈兪褂妹麨閐ockerins的塞子保持不同的酶，以便它們更有效地工作。細(xì)菌已在細(xì)菌中詳細(xì)描述了20多年，但現(xiàn)在首次出現(xiàn)在真菌中。“

Omics為真菌酶復(fù)合物提供了見解

在DOE JGI和EMSL的幫助下，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)在厭氧腸道真菌中發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)復(fù)合物，O'Malley原則上表示同樣的事情 - 將植物生物量作為一組酶進(jìn)行攻擊。雖然他們發(fā)現(xiàn)這些復(fù)合物中的許多酶來自與腸道細(xì)菌的水平基因轉(zhuǎn)移，但他們也注意到與細(xì)菌纖維素體相比組成的差異。首先，dockerins和scaffoldin在真菌和細(xì)菌之間并不相似。此外，細(xì)菌纖維素體是物種特異性的。把他們想象成一起做所有事情的高中集團(tuán)。相反，

該研究涉及對(duì)屬于Neocallimastigomycetes的五種真菌的比較基因組學(xué)分析，這是一種尚未充分研究的早期分化譜系的分支。從UC Santa Barbara團(tuán)隊(duì)收集的動(dòng)物腸樣品中分離出三種真菌，并由DOE JGI進(jìn)行測(cè)序和注釋。“蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)和基因組學(xué)數(shù)據(jù)使我們能夠弄清楚這些復(fù)合物是什么，并在其他基因組中尋找它們，”奧馬利說。“三個(gè)基因組確實(shí)很好地解決了，你可以開始研究那里有什么，調(diào)節(jié)酶的產(chǎn)生，以及酶是如何進(jìn)化的。”

研究共同資深作者和DOE JGI 真菌基因組計(jì)劃負(fù)責(zé)人Igor Grigoriev指出，多組學(xué)方法通過協(xié)作科學(xué)計(jì)劃利用基因組學(xué)和分子表征能力，允許研究人員在一個(gè)被稱為設(shè)施整合合作的擬議項(xiàng)目中訪問多個(gè)用戶設(shè)施用戶科學(xué)(FICUS)對(duì)研究至關(guān)重要。

“這是我們第一次看到部分真菌纖維素體，”格里戈里耶夫說。“通過JGI-EMSL FICUS計(jì)劃，蛋白質(zhì)組學(xué)使我們能夠找到這些真正大的~700千道爾頓(kDa)真菌蛋白中的第一種，它們將所有酶保持在一起(與平均蛋白質(zhì)的分子量為34 kDa相比)。然后，高質(zhì)量的基因組裝配使得能夠在每個(gè)腸道真菌基因組中鑒定該蛋白質(zhì)的多個(gè)拷貝。僅僅擁有蛋白質(zhì)組學(xué)或測(cè)序工具是不夠的，因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)與Neocallimastigomycetes之外的任何其他蛋白質(zhì)都不相似。雖然真菌纖維素酶是通過蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)的，但我們需要基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)解碼其所有部分。“

這項(xiàng)工作是O'Malley對(duì)厭氧腸道真菌研究的延伸，該研究去年出現(xiàn)在“科學(xué)”雜志上(觀看她在2016年DOE JGI能源與環(huán)境基因組學(xué)會(huì)議上的講話，位于bit.ly/JGI2016OMalley)。這是很多相同的參與者，但我們現(xiàn)在正在深入挖掘，因?yàn)槲覀冇懈叻直媛实幕蚪M，而我們當(dāng)時(shí)沒有它們，“她說。“我們能夠進(jìn)行更多的比較遺傳學(xué)，現(xiàn)在我們正試圖弄清楚它們?cè)谖⑸锝M中的生態(tài)作用。”

更詳細(xì)地了解生物質(zhì)降解的蛋白質(zhì)機(jī)制對(duì)于推進(jìn)DOE從植物原料開發(fā)可持續(xù)生物燃料的議程至關(guān)重要。高通量測(cè)序與復(fù)雜的蛋白質(zhì)組學(xué)相結(jié)合，不僅闡明了真菌生物量降解能力的多樣性和復(fù)雜性，而且還為利用合成生物學(xué)和代謝工程方法開發(fā)這些能力提供了知識(shí)基礎(chǔ)。

美國(guó)能源部科學(xué)辦公室提供了對(duì)這項(xiàng)工作的支持，包括早期職業(yè)研究計(jì)劃獎(jiǎng)，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，美國(guó)農(nóng)業(yè)部，美國(guó)陸軍研究辦公室和加州大學(xué)。