محققان مؤسسه فناوری کالیفرنیا (C altech) و شرکت پیشرو در سنتز ژن DNA2.0 گام مهمی در جهت توسعه یک فرآیند مقرون به صرفه برای استخراج قندها از سلولز - فراوان‌ترین قند در جهان - برداشته‌اند. مواد آلی و ارزان ترین شکل ذخیره انرژی خورشیدی. قندهای گیاهی به راحتی به انواع سوخت‌های تجدیدپذیر مانند اتانول یا بوتانول تبدیل می‌شوند.
در مقاله ای که این هفته در نسخه اولیه مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد، فرانسیس اچ.آرنولد، پروفسور دیک و باربارا دیکینسون در مهندسی شیمی و بیوشیمی در کالتک، و همکارانش ساخت 15 کاتالیزور آنزیم قارچی بسیار پایدار جدید را گزارش می دهند که سلولز را به طور موثر در دمای بالا به قند تجزیه می کند. پیش از این، کمتر از 10 آنزیم قارچی cellobiohydrolase II شناخته شده بود. آنزیم های آرنولد علاوه بر پایداری قابل توجه خود، سلولز را در طیف وسیعی از شرایط تجزیه می کنند.
سوخت‌های زیستی با تبدیل مواد تجدیدپذیر - به عنوان مثال، دانه‌های ذرت، خرده‌های چوب باقیمانده از تولید خمیر و کاغذ، علف‌های چمنزار و حتی زباله - به سوخت و مواد شیمیایی ساخته می‌شوند. بیشتر سوخت های زیستی که امروزه استفاده می شود از تخمیر نشاسته از دانه های ذرت ساخته می شوند. این فرآیند، اگرچه ساده است، اما به دلیل قیمت بالای خود دانه‌های ذرت، پرهزینه است.
ضایعات کشاورزی مانند ذرت (برگ‌ها، ساقه‌ها و لپه‌های کنده‌شده گیاهان ذرت که پس از برداشت باقی می‌مانند) ارزان هستند.این مواد عمدتاً از سلولز، جزء اصلی دیواره‌های سلولی گیاهی تشکیل شده‌اند. تجزیه سلولز بسیار سخت تر از نشاسته است. یک عارضه دیگر این است که در حالی که واکنش تخمیری که نشاسته ذرت را تجزیه می کند فقط به یک آنزیم نیاز دارد، تجزیه سلولز به مجموعه کاملی از آنزیم ها یا سلولازها نیاز دارد که به طور هماهنگ کار کنند.
سلولازهایی که در حال حاضر به صورت صنعتی استفاده می شوند، که همگی از گونه های مختلف قارچ های رشته ای در حال پوسیدگی گیاهی جدا شده اند، هم کند و هم ناپایدار هستند و در نتیجه، این فرآیند بسیار گران است. آرنولد می‌گوید: «حتی کاهش دو برابری هزینه‌های آنها می‌تواند تفاوت بزرگی در اقتصاد سوخت‌های تجدیدپذیر و مواد شیمیایی ایجاد کند.»
آرنولد و محقق فوق دکتری C altech، پیت هاینزلمن، 15 آنزیم جدید را با استفاده از فرآیندی به نام نوترکیبی هدایت‌شده ساختار ایجاد کردند. محققان C altech با استفاده از یک برنامه کامپیوتری برای طراحی محل ترکیب مجدد ژن ها، توالی های سه سلولاز قارچی شناخته شده را با هم جفت کردند تا بیش از 6000 توالی نتاج را بسازند که با هر یک از والدین متفاوت بودند، در عین حال پروتئین هایی با ساختار مشابه و کدگذاری شده بودند. توانایی تجزیه سلولز
با تجزیه و تحلیل آنزیم های کدگذاری شده توسط زیرمجموعه کوچکی از این توالی ها، محققان C altech و DNA2.0 توانستند پیش بینی کنند که کدام یک از بیش از 6000 آنزیم جدید ممکن پایدارتر هستند، به ویژه در دماهای بالاتر. (ویژگی به نام پایداری حرارتی).
پایداری حرارتی لازمه سلولازهای کارآمد است، زیرا در دماهای بالاتر - مثلاً 70 یا حتی 80 درجه سانتیگراد - واکنشهای شیمیایی سریعتر است. علاوه بر این، سلولز در دماهای بالاتر متورم می شود که تجزیه آن را آسان تر می کند. متأسفانه سلولازهای شناخته شده از طبیعت معمولاً در دمای بالاتر از حدود 50 درجه سانتیگراد عمل نمی کنند.
آرنولد می‌گوید: «آنزیم‌هایی که در برابر حرارت بسیار پایدار هستند نیز برای مدت طولانی، حتی در دماهای پایین‌تر، دوام می‌آورند. و آنزیم‌های با ماندگاری بیشتر سلولز بیشتری را تجزیه می‌کنند که منجر به هزینه کمتر می‌شود.»
با استفاده از توالی های تولید شده توسط کامپیوتر، جرمی مینشول و همکارانش از DNA2.0 از منلو پارک، کالیفرنیا، توالی‌های DNA واقعی را سنتز کرد که به مخمر در آزمایشگاه آرنولد منتقل شدند. مخمر آنزیم هایی را تولید کرد که سپس از نظر توانایی و کارایی آنها در تجزیه سلولز مورد آزمایش قرار گرفتند. هر یک از 15 سلولاز جدید گزارش شده در مقاله PNAS پایدارتر بودند، در دماهای بسیار بالاتر (70 تا 75 درجه سانتیگراد) کار می کردند و در آن دماها سلولز بیشتری نسبت به آنزیم های اصلی تجزیه کردند.
آرنولد می گوید: «این یک نمایش واقعاً خوب از قدرت زیست شناسی مصنوعی است. "شما می توانید به سرعت مواد بیولوژیکی جدید و جالبی را در آزمایشگاه تولید کنید، و نیازی نیست به چیزهایی که در طبیعت می یابید تکیه کنید. ما فقط توالی های DNA2.0 را بر اساس آنچه از یک پایگاه داده و طراحی نوترکیب خود بیرون آوردیم ایمیل کردیم." و آنها DNA را سنتز کردند. ما هرگز مجبور نشدیم برای بدست آوردن آنها به سراغ هیچ موجودی برویم. ما هرگز به قارچی دست نزدیم."
بعد، محققان قصد دارند از فرآیند نوترکیبی هدایت‌شده ساختاری برای تکمیل هر یک از نیم دوجین سلولازی که سوپ آنزیم‌های مورد نیاز برای تجزیه صنعتی سلولز را تشکیل می‌دهند، استفاده کنند.آرنولد می‌گوید: «ما فرآیند را روی یکی از مؤلفه‌ها نشان داده‌ایم. اکنون باید خانواده‌هایی از همه مؤلفه‌های دیگر ایجاد کنیم، و سپس به دنبال مخلوط‌های ایده‌آل برای هر برنامه جداگانه باشیم.» با هدف نهایی ایجاد هزینه. دستور العمل کارآمد برای سوخت زیستی سلولزی.
آرنولد می گوید: «اگر به آن فکر کنید، انرژی بزرگترین صنعت موجود است. "اگر ما بتوانیم نفت خارجی را با سوخت های زیستی تجدید پذیر جایگزین کنیم، این کمک بزرگی است. و این جایگزینی در حال حاضر کند است زیرا این آنزیم ها بسیار گران هستند."
