Impegnato, i microbi produttivi usano gli enzimi per abbattere le foglie, gambi e altra biomassa e poi convertire quel materiale in combustibili rinnovabili e prodotti chimici. Ma alcuni di quegli enzimi non possono funzionare alle alte temperature o all'acidità che mantengono bassi i costi operativi per i processi di fermentazione.

Un gruppo di ricerca guidato da Laura Jarboe dell'Iowa State University cercherà di risolvere il problema identificando i problemi più grossolani, enzimi più resistenti e microbi ingegneristici per utilizzarli nella fermentazione industriale. Il loro lavoro è supportato da un triennio, $ 969, 000 sovvenzione dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

"Vogliamo rendere questi microbi più robusti, " disse Jarboe, Professore Cargill di ingegneria chimica dell'Iowa State. "Fare quello, dobbiamo pensare al problema dei microbi. Non possiamo semplicemente dire, 'Fare meglio.'"

In questo caso, gli enzimi che richiedono il raffreddamento o la regolazione del pH (acidità/alcalinità) per rimanere attivi sono problemi costosi. Alcuni di questi enzimi sono vitali per la capacità dei microbi di convertire i substrati a base biologica in prodotti, e alcuni sono vitali per la sopravvivenza dell'organismo.

ci sono più resistenti, più duro, enzimi più robusti là fuori? I microbi industriali potrebbero essere progettati per essere più simili agli "estremofili" e rimanere attivi nelle dure condizioni dei fermentatori?

Jarboe fa squadra per trovare risposte; Robert Jernigan, uno Stato dell'Iowa Charles F. Curtiss Distinguished Professor in agricoltura e scienze della vita nel dipartimento di biochimica di Roy J. Carver, Biofisica e Biologia Molecolare; e Pietro San Giovanni, uno scienziato senior del Centro di scienze biologiche presso il National Renewable Energy Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti a Golden, Colorado.

Milioni per studiare i microbi

L'Ufficio per la ricerca biologica e ambientale del dipartimento dell'energia ha assegnato 34 sovvenzioni biotecnologiche per un totale di $ 45,5 milioni questa estate, compresa questa sovvenzione a sostegno del lavoro di Jarboe, Jernigan e San Giovanni. I vincitori sono stati selezionati dopo un concorso, processo di revisione paritaria.

"Biocarburanti che possono alimentare aerei e navi, e i bioprodotti ottenuti da risorse rinnovabili svolgeranno un ruolo fondamentale nella decarbonizzazione della nostra economia, " ha affermato il Segretario all'Energia Jennifer M. Granholm, in una dichiarazione che annuncia le sovvenzioni.

Il programma di ricerca del dipartimento dell'energia si rivolge a due aree di studio:una, reingegnerizzazione dei microbi che aiutano a convertire la biomassa e i polimeri sintetici in combustibili e prodotti. E due, sviluppare tecnologie di imaging per studiare meglio le piante e i microbi utilizzati per produrre bioprodotti.

I vari progetti “ci aiuteranno a capire, prevedere, e anche il design (biocarburanti e bioprodotti) a livello cellulare, in modo da poter sbloccare il loro pieno potenziale, " disse Granholm.

Dai laboratori alle fabbriche

Jarboe, Jernigan e St. John hanno sviluppato un piano in tre parti per riprogettare i microbi in modo che producano enzimi resistenti al calore e agli acidi:

• St. John guiderà gli sforzi per costruire computazionali, modelli su scala genomica del metabolismo microbico, comprese le reazioni chimiche che convertono gli zuccheri in energia. I modelli aiuteranno i ricercatori a prevedere come temperature più elevate o cambiamenti di acidità cambieranno le reazioni. "Il nostro lavoro cercherà di identificare quali enzimi reagiscono a questi stress e influenzano negativamente il metabolismo, che possono poi essere presi di mira per la sostituzione, " Egli ha detto.
• Jernigan condurrà ricerche di dati sugli enzimi per identificare sostituti resistenti per gli enzimi che falliscono ad alta temperatura o acidità. "Ho studiato le proteine ​​per tutta la vita e abbiamo dati incredibilmente ricchi - diverse centinaia di milioni di sequenze proteiche - e questa è un'opportunità per fare applicazioni pratiche di queste informazioni, " Egli ha detto.
• Jarboe guiderà gli sforzi per progettare microbi in grado di produrre i robusti enzimi sostitutivi. Ci saranno anche esperimenti per valutare e caratterizzare i microbi, enzimi e reazioni chimiche risultanti. "Forse non importa che alcuni dei processi si basino su enzimi altamente sensibili, " ha detto. "Forse ci sono altri enzimi che possono fare lo stesso lavoro."

Se è il caso, quegli enzimi sostitutivi potrebbero un giorno fare la differenza nel modo in cui i combustibili biorinnovabili, prodotti chimici e altri prodotti sono fabbricati.

"Trovare un approccio sistematico all'ingegneria della termotolleranza e della tolleranza del pH nei microbi, "San Giovanni ha detto, "si spera consentirà ai ceppi di nuova concezione di passare dal laboratorio all'industria con maggiore velocità e costi inferiori".