Økt kunnskap om nedbryting av plantemasse i kuas mage kan gi bedre enzymteknologi

En ny doktorgrad har studert bakteriesamfunnet som bryter ned plantemasse i vomma til kyr, for å finne nye cellulosenedbrytende mekanismer som kan bidra til mer effektiv produksjon av biodrivstoff.

Økt kunnskap om nedbryting av plantemasse i kuas mage kan gi bedre enzymteknologi

Adrian Ertsås Naas disputerte 3. mars 2017 for graden ph.d. ved NMBU – Norges miljø- og biovitenskapelige universitet med avhandlingen «Investigating the cellulolytic potential of the cow rumen metagenome» (norsk: «Undersøkelser av det cellulolytiske potensialet i kuvommas metagenom»).

Det økende energibehovet i verden bidrar til økning i forbruk av fossile brennstoffer. Den følgende frigjøringen av lagret karbon gir økte nivåer av CO2 i atmosfæren og fører til klimaendringer.

Viktig for klima å bytte ut det sorte karbonet med det grønne

Dette gjør at det blir stadig viktigere å finne alternativer til fossil olje og gass, og å få til en overgang fra oljeøkonomi til bioøkonomi med bruk av fornybare ressurser som biomasse fra trevirke og avfall.

Cellulose fra planter og trevirke er det mest utbredte råmaterialet på jorda, og inneholder store mengder energi som kan konverteres til for eksempel biodrivstoff og nyttige kjemikalier.

Men prosessen med å bryte ned dette råmaterialet for å konvertere det til f.eks. biodrivstoff med enzymteknologi krever videre forskning da lav effektivitet gir behov for store mengder av de kostbare enzymene som brukes i nedbrytingen av cellulose

Kan lære av naturens nedbrytningsprosesser

Drøvtyggende dyr har naturlig utviklet symbiotiske mikrobielle samfunn som effektivt kan nyttiggjøre denne biomassen til å fylle sine energibehov. Økt kunnskap om hvordan denne prosessen foregår kan føre til fremskritt i enzymteknologi, i tillegg til en økt forståelse av drøvtyggerernæring.

Målet med doktorgradsavhandlingen til Ertsås Naas var derfor å studere bakteriesamfunnet som bryter ned plantemasse i vomma til kyr, for å finne nye cellulosenedbrytende mekanismer.

Hvordan cellulosen i disse plantemassene blir brutt ned har blitt studert tidligere, men kun hos dyrkbare bakterier. De fleste bakterier kan ikke dyrkes, og disse utgjør en stor andel av kuvommas mikrober.

Studerte de udyrkede bakteriene i bakteriesamfunnet

I doktorgradsarbeidet til Ertsås Naas ble DNAet til de udyrkede bakteriene i samfunnet (metagenomet) studert, for å finne og forstå ukjente cellulosenedbrytende mekanismer.

I den første artikkelen av avhandlingen ble det oppdaget mulige cellulosenedbrytende enzymer (cellulaser) i en udyrket bakterie.

Disse befant seg i et gensystem som tidligere ikke er forbundet med cellulosenedbryting. Ved å syntetisere disse genene og produsere enzymene, har Ertsås Naas slått fast at enzymene faktisk kan bryte ned cellulose, antageligvis ved hjelp av en ny type cellulose-bindende proteiner.

Dette arbeidet utvidet kunnskapen om denne typen gensystem, kalt Polysaccharide Utlization Loci, til å inkludere cellulose som substrat. Videre i den andre artikkelen av avhandlingen, ble en av cellulasene fra dette systemet undersøkt ved 3D krystallografi, der analyse av strukturen til proteinet ga innsikt i hvordan det er spesifikt for cellulose-lignende substrater.

Ny kunnskap om cellulosenedbrytende mekanismer hos bakterier

I den tredje studien i avhandlingen ble genomet til enda en udyrket bakterie grundig studert, og fylogenetisk klassifisert som en ny art i en ny familie innen Bacteroidales ordenen av Bacteroidetes.

Her ble metabolismen til bakterien gjenoppbygd via genanalyse, som viste at bakterien kan utnytte et variert utvalg av polysakkarider, og fermentere dem til eddiksyre og ravsyre som er næringsstoffer for kua.

Genomet inneholdt også gener for multimodulære cellulaser, noe som ikke har blitt observert i Bacteroidetes tidligere. Støttet av celluloseaktivitet fra utvalgte cellulaser, ble multimodulære cellulaser foreslått som en ny cellulosenedbrytende mekanisme innen Bacteroidetes.

Arbeidet i denne avhandlingen har dermed utvidet kunnskapen om cellulosenedbrytende mekanismer hos bakterier.

Ved videre studier av disse mekanismene og identifisering av lignende mekanismer hos beslektede organismer, kan muligens nye og mer effektive cellulaser oppdages.

Selv om enzymene som ble oppdaget her ikke er direkte anvendbare, kan den økte kunnskapen på sikt bidra til å forbedre dagens enzymteknologi.

I tillegg kan forskningen bidra til en økt forståelse av det komplekse samspillet av biomassenedbrytende mikrobielle samfunn.

Published 7. mars 2017 - 11:04 - Updated 23. mai 2017 - 19:09