День за днем легионы микроорганизмов работают для производства энергии из отходов в биогазовых установках. Исследователи из Биотехнологии Университета Билефельда (CeBiTec) внимательно изучают, какие микробы выполняют лучшую работу. Они анализируют всю генетическую информацию микробных сообществ на отдельных биогазовых установках в Германии. С начала 2013 года калифорнийский объединенный институт генома возьмет на себя обязательную последовательность. Биокомпьютерный анализ будет выполнен на CeBiTec. Нелегкая задача, поскольку данные будут поставляться в миллиардах фрагментов, в свою очередь, из сотен организмов. Сложение этой огромной головоломки будет кропотливой работой.
В Германии насчитывается более 7 000 биогазовых установок, которые могут поставлять более шести миллионов домашних хозяйств. Заводы заполнены в основном растительной биомассой, такой как силос для кукурузы, но также с сельскохозяйственными отходами, такими как жидкий навоз и куриный навоз. Одним из ключевых вопросов исследования является то, как можно оптимизировать производство биогаза. По этой причине ученые Билефельда д-р Александр Скырба, д-р Андреас Шлютер, д-р Александр Гоесманн, профессор д-р Йенс Стей и профессор д-р Альфред Пюлер хотят узнать, какие микробы отвечают за разложение биомассы, и какие из них делают это лучше всего. «Мы заинтересованы в обнаружении микробиологии, которая действительно стоит за процессами, происходящими на биогазовой установке; какие микроорганизмы играют роль на этом этапе », – объясняет Андреас Шлютер, чьи исследования на CeBiTec находятся в области производства биогаза.
Первый расшифрованный геном
Работа исследователей уже принесла первые плоды. «На CeBiTec нам удалось расшифровать полную последовательность генома Methanoculleus bourgensis, производителя метана», – сообщает профессор Пюлер. Поступая таким образом, Билефельд секвенировал первый геном для метана, производящего археон, из биогазовой установки – одноцелевой первичной бактерии, которая играет важную роль в некоторых биогазовых растениях. Теперь исследователи хотят пойти еще дальше.
Соединяя головоломку
Этот проект является частью Программы секвенсирования сообщества, программы общественного секвенирования, финансируемой Министерством энергетики США. В то время как предыдущие исследования по биогазу концентрировались в основном на определенных маркерных генах, теперь необходимо изучить всю генетическую информацию микроорганизмов. Американский институт будет производить более одного терабайта данных последовательности для этого, что эквивалентно по объему примерно 300 человеческим геномам. Эти данные будут предоставлены в бесчисленное количество фрагментов, однако, поскольку даже самая современная технология не способна одновременно считывать миллионы оснований, из которых состоит микробная молекула ДНК. Вместо этого технологии секвенирования обеспечивают огромное количество перекрывающихся секций около 150 баз. Последовательности ДНК затем будут возвращены Билефельду в миллиарды фрагментов, в которые входит команда Computational Metagenomics Александра Сцирбы. Они разрабатывают биоинформационные процедуры для восстановления последовательностей геномов. Их задача – сравнить данные, распознать перекрытия и использовать их для повторной сборки базовой последовательности. «Мы пытаемся завершить головоломку, состоящую из миллиардов штук, в которую также входят сотни разных головоломок, – объясняет Сцирба.
Одноячеечная геномика обещает новые идеи
Вполне вероятно, что исследователи Билефельда откроют новые горизонты в геномике. По оценкам, 99 процентов всех микроорганизмов не могут культивироваться в лаборатории. Совершенно новая технология, одноклеточная геномика, заключается в том, чтобы предоставить информацию здесь, определив последовательность генома из отдельных микробных клеток. Ожидается, что знания об идентичности и функциях до сих пор совершенно неизвестных микроорганизмов будут получены. В ходе совместного проекта Объединенный институт генома будет упорядочивать примерно 100 одноклеточных геномов.
Исследователи запланировали примерно два года для своего проекта, в котором также участвуют докторанты Билефельда Класса выпускников в области промышленной биотехнологии (CLIB). В конце они надеются найти оптимальное микробное сообщество для биогазовых установок и, таким образом, смогут сделать этот процесс генерации энергии еще более эффективным.
Задний план
Биогазовые установки производят метан через ферментацию растительной биомассы, которая может быть использована для выработки энергии и тепла. Разложение растительной биомассы и производство биогаза на сельскохозяйственных биогазовых установках вызваны микробами. Этот процесс, который подобен тому, что происходит в пищеварительном тракте крупного рогатого скота, имеет нейтральный баланс углекислого газа и, следовательно, не способствует глобальному потеплению. В отличие от других возобновляемых источников энергии, например, зависящих от погодных условий источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, метан может производиться постоянно и храниться. Это позволяет при необходимости преобразовывать его в энергию или тепло.