Από τη Vilhelmiina Haavisto και την Allison Hung
Τα τελευταία χρόνια, το capybara έχει λανσαριστεί στο διαδίκτυο ως το το μεγαλύτερο και πιο ψυχρό τρωκτικό στον κόσμο. Αυτό το γιγάντιο τρωκτικό απλώνεται πάνω από τους συγγενείς του ινδικά χοιρίδια κατά σχεδόν ένα μέτρο και έχει αγαπήσει εκατομμύρια θεατές σχηματίζοντας φιλίες με όλα τα ζώα ομοίως. Ωστόσο, αυτό που είναι πιο ενδιαφέρον για το capybara μπορεί να είναι αυτό που συμβαίνει κάτω από το καπό. Η μικροχλωρίδα του εντέρου των φυτοφάγων, όπως το capybara, φιλοξενεί εξελιγμένα συστήματα για την αποικοδόμηση πολύπλοκων φυτικών ινών που αποτελούν χαρακτηριστικό της διατροφής των φυτοφάγων, παράγοντας ενέργεια τόσο για τον ξενιστή όσο και για τους ίδιους.
Μέχρι τώρα, η μικροχλωρίδα του εντέρου capybara ήταν ως επί το πλείστον ένα «μαύρο κουτί» όσον αφορά τη μικροβιακή της κοινότητα και τον τρόπο με τον οποίο διασπούν τη διατροφή του ξενιστή τους, η οποία περιλαμβάνει σύνθετες, δύσκολα αποικοδομούμενες ίνες κοινές σε υδρόβια φυτά, όπως η λιγνοκυτταρίνη και η πηκτίνη. Μια ομάδα ερευνητών από το Εθνικό Εργαστήριο Βιοανανεώσιμων Πηγών Βραζιλίας (LNBR) στο Σάο Πάολο δημοσίευσαν πρόσφατα τα ευρήματά τους από το α βουτήξτε βαθιά στο έντερο της capybaraσε μια προσπάθεια ανάπτυξης βιοτεχνολογικών λύσεων για την αειφόρο ανάπτυξη.
Γιατί το capybara;
Το κίνητρο για τη μελέτη του capybara προέρχεται από την ικανότητα των άγριων πληθυσμών στη νοτιοανατολική Βραζιλία, από τους οποίους δειγματολήφθηκαν οι ερευνητές, να ενσωματώνουν μεγάλες ποσότητες ζαχαροκάλαμου στη διατροφή τους. Το ζαχαροκάλαμο έχει μεγάλες δυνατότητες ως πρώτη ύλη για παραγωγή βιοκαυσίμωνκαι η εύρεση αποτελεσματικών τρόπων υποβάθμισής του είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη βιώσιμης παραγωγής βιοκαυσίμων υψηλής απόδοσης. Αναφέροντας την αξία της βιοποικιλότητας της Βραζιλίας ως πηγή βιοτεχνολογικών λύσεων, ο Επιστημονικός Διευθυντής του LNBR και τελευταίος συγγραφέας της μελέτης Ο Δρ Μάριο Μουρακάμι εξήγησε ότι πίστευαν ότι το έντερο capybara θα περιέχει μικρόβια με εξαιρετικά αποτελεσματικές στρατηγικές για την αποδόμηση πολύπλοκων φυτικών ινών.
Δεν έμεινε καμία πέτρα, καθώς οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα οπλοστάσιο μοριακών τεχνικών για να χαρακτηρίσουν την ποικιλομορφία του εντέρου capybara τόσο σε μορφή όσο και σε λειτουργία. Συνολικά, αυτή η ολοκληρωμένη προσέγγιση οδήγησε σε μεγάλη εικόνα για τον θαυμαστό κόσμο του εντέρου capybara, συμπεριλαμβανομένης της ανακάλυψης δύο νέων οικογενειών ενζύμων και αρκετών ειδών ή γενών μικροοργανισμών που φιλοξενούν μεγάλες ομάδες ενζύμων βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος.
Διάσπαση σκληρών φυτικών ινών με CAZymes
Αυτές οι δύο οικογένειες ενζύμων εμπίπτουν σε αυτά που κατηγοριοποιούνται ως ενεργά ένζυμα υδατάνθρακες ή CAZymes: ένζυμα που αποικοδομούν και τροποποιούν πλήθος υδατανθράκων συμπεριλαμβανομένων σύνθετων φυτικών ινών. Χωρίς έκπληξη, η μικροχλωρίδα του εντέρου των φυτοφάγων, συμπεριλαμβανομένου του capybara, είναι ώριμη για ανακάλυψη του CAZyme.
Τα CAZymes για την αποικοδόμηση πολύπλοκων φυτικών ινών όπως η κυτταρίνη και η λιγνίνη είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό των μικροβίων που κατοικούν στα έντερα των φυτοφάγων, όπως οι αγελάδες και οι ελέφαντες, που καταπίνουν μεγάλες ποσότητες φυτικών ινών κάθε μέρα. Ενώ το ανθρώπινο γονιδίωμα κωδικοποιεί μόνο 17 CAZymes, η μικροχλωρίδα του ανθρώπινου εντέρου κωδικοποιεί συλλογικά εκατοντάδες, και αυτά των φυτοφάγων όπως οι καμήλες και τα βουβάλια κωδικοποιούν ακόμη περισσότερα. Αυτά τα μικρόβια βοηθούν τους φυτοφάγους ξενιστές τους να συλλέγουν ενέργεια και θρεπτικά συστατικά από αυτές τις σκληρές ίνες, καθώς και να παράγουν βιταμίνες και να αποτοξινώνουν ενώσεις που χρησιμοποιούν τα φυτά για να αμυνθούν.
Μαθαίνοντας πώς τα μικρόβια στο έντερο κάνουν τη δουλειά τους μπορεί να μας βοηθήσει να εφαρμόσουμε αυτές τις στρατηγικές για να μετατρέψουμε αποτελεσματικά τις φυτικές ίνες σε προϊόντα προστιθέμενης αξίας όπως βιοκαυσίμων. Η εύρεση ενζύμων και χημικών οδών που μπορούν να διασπάσουν σύνθετες ίνες είναι κρίσιμη για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης αυτής της διαδικασίας βιομετατροπής.
Προς μια μεγαλύτερη ενζυματική εργαλειοθήκη
Ξεκινώντας από φρέσκα δείγματα εντέρου, οι ερευνητές μπόρεσαν να απομονώσουν εκατομμύρια αλληλουχίες DNA, τις οποίες συνέπλεξαν χρησιμοποιώντας βιοπληροφορικά εργαλεία σε υποτιθέμενα ολόκληρα γονιδιώματα. Αυτά τα προηγμένες μεταγονιδιωματικές τεχνικές παρουσιάζουν μια νέα εποχή για την ανακάλυψη ενζύμων, καθώς οι επιστήμονες αρχίζουν να εξετάζουν απευθείας τα μικρόβια στα εγγενή περιβάλλοντά τους, επιτρέποντάς τους να αποκαλύψουν σπάνια ένζυμα που θα είχαν χαθεί παραδοσιακές σπουδές. Χρησιμοποιώντας μεταγονιδιωματική, οι ερευνητές αποκάλυψαν πολλά νέα, μεγάλα σμήνη CAZyme που δεν θα είχαν εντοπιστεί διαφορετικά.
Μια οικογένεια CAZymes που ανακάλυψαν οι ερευνητές έχει ένα ασυνήθιστη δομή που εμπλέκεται στην αναγνώριση ενός συγκεκριμένου τύπου φυτικής ίνας που ονομάζεται ξυλάνη. Οι ερευνητές εικάζουν ότι η μη συμβατική δομή θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για το σχεδιασμό και τη μηχανική διαφορετικών ειδών ενζύμων, αυξάνοντας την ποικιλία των ενζυματικών εργαλείων για τον μετασχηματισμό σύνθετων υδατανθράκων.
Μια άλλη σημαντική ανακάλυψη από τη μεταγονιδιωματική ανάλυση προήλθε από ένα είδος Bacteroidetes που φιλοξενεί ένα μεγάλο σύνολο CAZymes. Η εξέταση αυτών των ενζύμων, συγκεκριμένα μιας β-γαλακτοσιδάσης GH-A, οδήγησε στην ανακάλυψη μιας εντελώς νέας οικογένειας CAZyme. Εξετάζοντας τα γειτονικά CAZymes, οι ερευνητές μπόρεσαν να συμπεράνουν ότι αφομοιώνει τις πηκτίνες, πολύπλοκους πολυσακχαρίτες που βρίσκονται συχνά στα φυτικά κύτταρα.
Οι β-γαλακτοσιδάσες χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων και ποτών, όπου χρησιμοποιούνται για την παραγωγή γαλακτοκομικών προϊόντων χωρίς λακτόζη και τη μετατροπή του ορού γάλακτος σε πλήθος προϊόντων διατροφής. Εν τω μεταξύ, εξετάζονται οι πηκτίνες πολύτιμη βιομάζα για την παραγωγή βιοκαυσίμων, καθώς υπάρχουν σε αφθονία σε απόβλητα τροφίμων φυτικής προέλευσης, τα οποία θα μπορούσαν να ανακυκλωθούν για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Ως εκ τούτου, η ανακάλυψη αυτής της νέας οικογένειας θα μπορούσε να βοηθήσει στην επέκταση της ενζυμικής μας εργαλειοθήκης για βιοκατασκευή χρησιμοποιώντας σύνθετες φυτικές ίνες.
Τα ένζυμα είναι πιο επιθυμητά
Τα ένζυμα που ανακαλύφθηκαν στο έντερο capybara είναι μόνο μερικά από τα πολλά που ανακαλύφθηκαν από άλλα απροσδόκητα μέρη. Για παράδειγμα, οι προνύμφες του κεριού και υπερσκουλήκια μπορούν να τρέφονται με πολυαιθυλένιο, ένα από τα εκατοντάδες πλαστικά μιας χρήσης που παράγουμε. Αυτό φαίνεται να οφείλεται τουλάχιστον εν μέρει σε τα μικρόβια του εντέρου τουςοι οποίες παράγουν ένζυμα που σπάνε τους δεσμούς άνθρακα που βρίσκονται τόσο στο πλαστικό όσο και στην κανονική διατροφή του ξενιστή. Πράγματι, τα λεγόμενα «σκουλήκια που τρώνε πλαστικά» γίνονται γρήγορα ένας μοντέρνος κλάδος της έρευνας για την ενζυμική αποικοδόμηση του πλαστικού.
Όπως πολλά μικροβιακά ενδιαιτήματα που δεν έχουν μελετηθεί καθόλου, το έντερο capybara παρουσιάζει έναν θησαυρό ανακαλύψεων. Χάρη στην ποικιλία των τεχνικών που χρησιμοποίησαν, οι ερευνητές μπόρεσαν να χαρακτηρίσουν αυτή την ποικιλομορφία στη μικροβιακή ζωή και λειτουργία από πολλές οπτικές γωνίες, από την ταξινομική σύνθεση της κοινότητας έως τις δραστηριότητες και τις δομές των ενζύμων τους. Το πιο σημαντικό για τους ευρύτερους ερευνητικούς στόχους της ομάδας, η εργασία τους είχε ως αποτέλεσμα την ανακάλυψη και τον λεπτομερή χαρακτηρισμό βασικών ενζύμων που θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να προχωρήσουμε προς ένα πιο βιώσιμο μέλλον.
Η Vilhelmiina Haavisto είναι φοιτήτρια MSc Μικροβιολογίας και Ανοσολογίας στο ETH Zürich στην Ελβετία, όπου εργάζεται με μικροβιακές κοινότητες γλυκού νερού.
Η Allison Hung είναι διδακτορική φοιτήτρια στη Μοριακή και Κυτταρική Βιολογία στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, όπου ερευνά τον μικροβιακό αποικισμό του εντέρου.
