Dacă ați vizitat grădina zoologică Santa Barbara, este posibil să fi văzut membri ai echipei de cercetare a lui Michelle O’Malley. Ei sunt oameni în halate și mănuși de laborator, care se întâlnesc cu caprele din insula San Clemente și oile Navajo-Churro, așteaptă exemplare care ar putea schimba radical sursa combustibililor și substanțelor chimice din lume.
„Poate fi greu să faci diferența dintre caca de capră și cea de oaie”, spune O’Malley, 37 de ani, inginer chimist și biologic la Universitatea din California, Santa Barbara. Ajută să „vizionați donația”. Odată colectate, peleții merg la laborator, unde membrii echipei aduc la îndemână microorganismele care le permit acestor animale să digere anumite plante.
Mai exact, O’Malley este după ciupercile anaerobe care trăiesc în tractul digestiv al ierbivorelor precum oile, caprele, vacile, girafele și elefanții. Împreună cu unele bacterii anaerobe, aceste ciuperci pot descompune iarba și alte plante, eliberând zaharuri și substanțe nutritive pentru animale. Acești auxiliari microbieni particulari nu sunt de obicei membri ai tractului digestiv uman; părțile nedigerabile ale plantelor trec prin intestinele noastre sub formă de fibre.
O’Malley a trebuit să învețe ceea ce ea numește „tehnologie foarte veche” pentru a crește ciupercile capricioase. Apoi s-a îndreptat către investigarea enzimelor distinctive de degradare a plantelor pe care le produc ciupercile. Planul ei de ansamblu este să arunce deoparte petrolul neregenerabil și să urmărească o cale mai durabilă către producția de substanțe chimice și energetice, care începe cu resturi agricole — aragaz de porumb și paie de grâu, de exemplu — și alte materiale vegetale necomestibile.
„Întrucât ne-am aprofundat cu adevărat în descoperirea acestor ciuperci anaerobe”, spune O’Malley, „am găsit cu siguranță enzime care ar putea fi transferate în industrie care ar putea fi foarte bune în descompunerea celulozei, hemicelulozei și chiar a ligninei” – componentele lignocelulozei, părțile fibroase ale plantelor.
Lignoceluloza are o mulțime de carbon, baza combustibililor și coloana vertebrală a multor medicamente și alte substanțe chimice. Problema este că lignina, care servește „pentru a menține microbii și enzimele lor departe” de pereții celulelor vegetale, spune O’Malley, face dificilă ajungerea la zaharurile celuloză și hemiceluloză, care conțin carbonul. Pentru utilizări industriale, lignina este îndepărtată chimic sau fizic – un proces care este adesea costisitor, toxic și risipitor, deoarece lignina în sine conține componente chimice valoroase.
Unele ciuperci au o abordare mai bună. După prânzul cu iarbă al unei capre, ciupercile anaerobe numite Neocallimastigomycota se înfundă în pereții celulelor plantei și eliberează enzime care descompun lignoceluloza – lignina și toate acestea. Faptul că O’Malley a abordat aceste ciuperci anaerobe provocatoare nu o surprinde pe consilierul ei absolvent, inginerul chimist Anne Robinson de la Universitatea Carnegie Mellon din Pittsburgh. Robinson își amintește de fostul ei elev ca fiind „foarte lipsit de frică să abordeze problemele” și tipul de cercetător care „este capabil să recunoască rezultatul interesant sau neobișnuit”.
După absolvirea școlii, O’Malley a contactat oamenii de știință care au publicat cercetări despre ciupercile anaerobe. Majoritatea abandonaseră studiul microbilor dificili. Singurul care a răspuns cu o invitație de a lucra împreună a fost Michael Theodorou, care a fost pionier în cercetarea ciupercilor și acum se află la Universitatea Harper Adams din Newport, Anglia. La acea vreme, Theodorou se afla în Țara Galilor, unde l-a învățat pe O’Malley cum să izoleze și să crească microbii.
Este o provocare să satisfaci nevoile de nutrienți ale ciupercilor și să împiedici oxigenul. Echipa începe cu tuburi rulante, care sunt ca niște vase Petri 3-D care oferă un mediu anaerob. În tuburile închise se adaugă dioxid de carbon și un mediu de creștere cu fluide digestive. Apoi, echipa rulează tuburile pentru a obține un strat uniform. Apoi vine o suspensie de caca care conține ciuperci, iar tuburile sunt rulate din nou. Dacă procesul funcționează, coloniile de ciuperci cresc. „Toate acestea necesită o mulțime de mișcări atente, coordonate și rapide”, spune O’Malley. Este „o artă pierdută”.
De la astronomie la zoologie
Abonați-vă la Știri Științe pentru a vă satisface apetitul omnivor pentru cunoașterea universală.
În laboratorul ei din UC Santa Barbara, O’Malley a izolat ciupercile anaerobe din mostre de la grădina zoologică și a studiat enzimele acestora. „Nimeni nu știa cu adevărat puterea lor adevărată”, spune ea. Neocallimastigomycota, se dovedește, are instrucțiuni genetice pentru cel mai mare număr de enzime de degradare a biomasei cunoscute în natură, au raportat ea și colegii ei în Ştiinţă în 2016.
Cercetătorii au asociat, de asemenea, ciupercile anaerobe cu drojdia de bere (Saccharomyces cerevisiae), un pilon al industriei biochimice, într-un proces în două etape. Ciupercile au descompus eficient lignoceluloza din iarba canar de stuf, eliberând zaharurile pentru a fi convertite în alte produse de către drojdie, au raportat O’Malley și colegii săi. Biotehnologie și Bioinginerie în 2018.
Cu ochiul spre dezlănțuirea acestor puteri pentru industria biotehnologiei, O’Malley și grupul ei explorează dacă are sens să recolteze enzimele de la ciuperci sau să încorporeze ADN-ul fungic în drojdii sau bacterii, transformând aceste enzime ușor de lucrat. -cu microbi în mașinile de producere a enzimelor.
Descoperirea metodei ideale de degradare a biomasei de lignoceluloză „a fost o problemă cu adevărat insolubilă de mult timp”, spune inginerul biochimic Michael Betenbaugh de la Universitatea Johns Hopkins. O’Malley „s-a cam falsificat pe cont propriu căutând acești microbi neobișnuiți care au făcut [it] de milenii.”