奇妙真菌:從山羊腸道的奧秘看生物燃料和化學生產

從生物燃料和其他商品化學品到甲烷的產生,基因組研究窺探了山羊腸道的奧秘,Michelle
O’Malley長期以來一直受到腸道微生物的啟發。
自從她開始研究食草動物消化道以來,這位加州大學聖巴巴拉分校的化學工程教授已經指導了幾名學生獲得博士學位,贏得了早期和中期的獎項(包括奧巴馬總統的表彰),獲得了終身職位,並晉升為正教授,還養育了三個孩子,但她的研究對象從來不變的是:羊屎。

O’Malley說:”這是我實驗室里最長的一次努力。”早在2015年,她和她的研究團隊就開始了一個雄心勃勃的項目,以描述大型食草動物的腸道微生物。其目的是了解這些動物如何通過它們的微生物組管理,從植物材料中提取能量,特別是纖維狀的非食物部分,其中的糖分被鎖在堅韌的植物細胞壁後面。了解這一過程可以揭示出從豐富的、可再生的植物部分中提取現代生活所需的各種化學品–從生物燃料到藥品–所需原料的方法。這反過來又可以減少甚至消除我們對這些材料更有限資源的依賴。

奇妙真菌:從山羊腸道的奧秘看生物燃料和化學生產

現在,奧馬利又到了一個里程碑。在《自然微生物學》雜志上的一篇論文中,她和她的團隊報告了400多個平行厭氧富集實驗的結果,其中包括700多個以前未知的微生物基因組和數千種新的酶,以及許多經常被歸咎於牛和羊的甲烷的可能機制。

“我們想通過這項研究做的事情之一是問我們自己是否可以學習山羊消化道所提供的生物加工課程,”O’Malley說。像所有反芻動物一樣,山羊的腸道微生物組經過數百萬年的進化,分泌出強大的酶,分解堅韌的植物部分,使動物能夠從各種植物中獲得營養。

研究人員特別感興趣的是山羊腸道微生物組中的非細菌性居民–像厭氧真菌這樣的 “小角色”,它們只占細菌為主的一小部分。O’Malley說,這些社區成員不僅數量少,而且難以培養。因此,雖然腸道微生物組研究已經進行了很長時間,但大多數研究都忽略了微生物組中罕見成員的貢獻。

“沒有人真正研究過這些稀有成員的影響,”她說。

在大約400個平行富集實驗中,研究人員對Elway貢獻的糞便進行了富集實驗,Elway是一隻名叫San Clemente島山羊,他住在Santa Barbara動物園,研究人員用不同的生物質基質挑出了生物質降解微生物的種群。他們利用抗生素抑制細菌的生長,進一步雕琢了其中的一些種群,讓真菌和甲烷菌(來自領域古菌的單細胞生物)等較罕見的微生物占據主導地位。

“隨後我們對所有這些培養物進行了測序,”O’Malley說。”我們把這些零散的DNA序列又重新組合在一起,重建高質量的基因組,這給我們提供了一個關於誰在那里的集體圖片。然後,我們掃描這些基因組中的酶和途徑,為我們提供了每個微生物在微生物組中起到了什麼作用的線索。” O’Malley實驗室的研究人員在能源部聯合基因組研究所(JGI)對這些樣本進行了測序,這是JGI社區科學計劃的一部分;他們與JGI元基因組測序和真菌基因組學專家合作進行這項研究。

根據該研究,在這個過程中,該團隊發現了700多個新的微生物基因組,”在物種水平上是獨一無二的”。此外,還有他們之前從大型食草動物中分離出的罕見真菌。

“但這是我們第一次真正看到它們的行動,在它們的正常社區中,”O’Malley說。

事實證明,真菌雖然數量不多,但在生物質降解中發揮着不成比例的巨大作用。

“它們產生了生物質降解酶的絕大部分,而這些酶是群落賴以運作的,”O’Malley指出。此外,根據該論文,真菌還有其他策略,比如能夠物理穿透植物細胞壁,暴露出表面讓這些酶發揮作用。

研究人員還發現,伴隨着生物質降解速度的增加,以真菌為主的菌群中甲烷的產量也在增加。雖然腸道細菌和腸道真菌都會與甲烷菌形成跨領域的夥伴關系,基本上是將碳傳遞給考古學家,將其發酵成天然氣,但真菌在這方面似乎更有效率。

“我們認為真菌在將碳分流到甲烷方面更有效,”O’Malley說。”換句話說,真菌不會像細菌那樣產生一堆副產品。細菌除了產生一些甲烷之外,還會產生額外的短鏈脂肪酸和其他化學產品。但是,真菌可能有一條更直接的途徑將材料傳遞給甲烷菌。” 論文稱,這表明 “真菌在甲烷釋放中發揮的作用比以前認識到的要大”。

這些和研究中的其他見解使我們更接近於開發利用微生物從地球上最豐富的有機化合物–纖維素製造工業上重要的化學品的技術。O’Malley和她的小組專注於理解這些復雜的瘤胃群落成員的作用和相互作用,他們正在展望一個設計的微生物群落可以創造增值化學品的未來。

“我們能不能建造一個生物反應器,里面不僅僅是一種類型的微生物,而是幾種,或者幾十種?我們能不能像自然界那樣做真正復雜的化學反應?這就是這里的一種終極目標,”O’Malley說。

來源:cnBeta