Mikróby v črevách hmyzu dokážu štiepiť celulózu a lignín.

Nájdenie spôsobu ako spracovať túto odolnú molekulu by mohlo naštartovať produkciu biopalív a znížiť emisie skleníkových plynov, ktoré sa tvoria pri spaľovaní odpadu.
Hmyz v sebe hostí prirodzené katalyzátory, ktoré môžu byť oveľa efektívnejšie využité pri premene rastlinného materiálu na biopalivá. Hmyz živiaci sa rastlinami sa často spolieha na mikróby vo svojich črevách aby dokázal strávť materiály ako sú celulóza alebo lignín.
Porovnávaním genómov mikroorganizmov z vnútorností lúčnych kobyliek, húseníc a termitov vedci zistili, že diverzita prítomných mikroorganizmov a ich schopnosť štiepiť rastlinné materiály sú spojené s tým, čým sa konkrétny hmyz živí. Tieto tri druhy hmyzu predstavujú tri rôzne rady hmyzu. Tieto zistenia sa môžu použiť na smerovanie ďalšieho hľadania enzýmov pre použitie v priemysle biopalív.

Zvětšit obrázek

Početnosť bakteriálnych kmeňov v tráviacich sústavách Lúčnych kobyliek (GH – grasshopper), húseníc (CW – cutworm) a termitov (™). Relatívna četnosť sa pohybovala v rozmedzí od 0 do 26 %. Okrem troch najpočetnejších skupín bakteriálnych kmeňov, všetky ostatné predstavovali menej ako 5 %. Pre lepšiu vizualizáciu je graf nastavený na rozsah 0-5 %.

Komparatívna analýza odhalila značné rozdiely medzi týmito tromi druhmi v druhovom zložení populácie symbiontov prítomných v črevách. Zloženie a početnosť symbiontov bola porovnaná s vopred určenou schopnosťou štiepiť a metabolizovať rôzne druhy potravy konzumované ich hostiteľmi.

U týchto troch druhov hmyzu sa dominantné bakteriálne rody značne líšili. Najviac zastúpeným rodom húseníc bol Bacillus (24,14%), nasledovaný Clostridium (4%), Erysipelothrix (3,64%) a Gammaproteobacterium (1,43%). Lúčne kobylky mali najčastejšie zastúpené  Gammaproteobacterium (25,16%), Erysipelothrix (3,51%), Clostridium (1,27%) a Bacillus (0,84%).
Najčastejšie zastúpenými rodmi u termitov boli Clostridium a Spirochaeta, ďalej Bacteroides, Deltaproteobacterium a Fibrobacter čo odzrkadľuje ich inú potravnú špecializáciu.

Rekonštrukcia metabolizmu odhalila, že metabolóm tráviacej sústavy húseníc a lúčnych kobyliek bol oveľa bohatší na gény začlenené do metabolizmu uhľovodíkov a ich transportu než je to u drevom sa živiacich termitov. Zatiaľ čo metabolóm tráviacej sústavy termitov bolo bohatší na enzým gylkozyl hydrolázu (GH) vzťahujúci sa k štiepeniu lignocelulózovej biomasy. Navyše metabolóm vnútorností termitov bol bohatší na gény pre fixáciu dusíka než to bolo u lúčnych kobyliek a húseníc, pravdepodobne kvôli adaptácii termitov na druhy potravy bohatšie na vlákninu a chudobnejšie na živiny. Aby sa zhodnotili a využili symbionty hmyzu pre biotechnologické aplikácie, naklonovali sa a ďalej charakterizovali štyri biomasu-degradujúce enzýmy - po jednej endoglukanáze a jednej xylanáze ako zo symbiontov lúčnych kobyliek, tak aj zo symbiontov húseníc.

Joshua S. Yuan, microbiolog, Borlaug Center, Texas A&M University

„Štúdium odhalilo, že mikroorganizmy v črevách hmyzu sa vývojom adaptujú na rôzne druhy potravy“ hovorí Joshua Yuan, docent systematickej biológie a bioenergetiky na A&M Univerzite v Texase, U.S.A., spoluautor štúdie.
Ďalej výskum zistil, že kobylky môžu byť dobrým cieľom pre odhalenie biokatalyzátorov, pretože v ich črevách sa nachádzajú enzýmy, ktoré dokážu štiepiť celulózu. Podľa Yuana by sa nové enýmy by mohli využiť pri reverznom vytváraní biorafinérií pre efektívnejšiu degradáciu biomasy.

Li Shi-Zhong, ředitel americko-čínského projektu na biopaliva, hostující profesor na Tsinghua University s praxí na Oxford University, University of Hong Kong a Tianjin University.

Yuanovo laboratóriu získalo od Ministerstva Energetiky U.S. Grant v hodnote 2.4 milióna US$, aby sa pokúsili použiť enzýmy z tráviacej sústavy termitov na navrhnutie spôsobu premeny lignínu na biopalivo. „Z lignínu môžete urobiť čokoľvek okrem peňazí“ hovorí Yuan. Avšak doteraz sa sa nenašiel vhodný spôsob spracovania lignínového odpadu.

Neal Stewart, profesor  na Univerzite v Tennessee, U.S.A, hovorí, že hmyz a mikroorganizmy z ich čriev boli pri hľadaní zdrojov enzýmov štiepiacich také materiály ako sú celulóza a lignín doteraz ignorované. „Yuanova myšlienka nahodiť veľkú sieť na profitovanie z biodiverzity je brilantná“.

Li Shi-Zhong, výkonný riaditeľ MOST-USDA Spojeného výskumného centra pre biopalivá z Univerzity Tsinghua v Číne hovorí:  „Biopalivá sú jediná praktická a konkurencie schopná náhrada za ropu. Ľudia strávili desiatky rokov a stovky miliónov dolárov pri pátraní po enzýmoch pre produkciu biopaliva z celulózy. Bohužiaľ, tradičné technológie nedokážu prekonať ekonomický lievik“. Li dodáva, že Yuanov tím hľadá ekonomický spôsob produkcie biopalív z biomasy „bez dopadu na potravinovú bezpečnosť“.

Zdroje : SciDev Net ,  PloS Genetics