減少對石油和其他化石燃料的依賴的方法之一是將農工業廢物轉化為具有社會意義的分子，比如生物燃料和生物化學品。作為世界上主要的植物生物質生產國之一，巴西完全有能力引領這一轉變，但木質纖維素原料很難分解，或更專業的說法，對微生物和酶的降解具有頑固性。
現在，巴西的科學家們正從大自然中尋找線索，以了解如何通過增加它們所含的糖的可用性來改善這些材料的解聚。巴西能源與材料研究中心(CNPEM)下屬的巴西生物可再生資源國家實驗室(LNBR)的一個研究小組在坎皮納斯進行了一項涉及全息技術（基因組學、蛋白質組學、代謝組學等）和同步輻射的跨學科研究，他們發現了由水豚腸道中的微生物產生的兩個具有生物技術潛力的新型酶族。CNPEM是一個私人非營利組織，由該國的科學、技術和創新部(MCTI)監督。
據了解，這兩個酶家族都作用於植物細胞壁的成分，因此它們可用於生產生物燃料、生物化學品和生物材料。其中一種還在乳品行業有潛在的應用，這是因為它能促進乳糖的降解。
“我們的研究方向之一是探索巴西的多樣性以尋求新的微生物機制，進而減少木質纖維素廢物的阻力。我們注意到，水豚是一種高度適應的食草動物，它能從頑固的植物廢物中獲得能量，而且對它的研究還不多，”LNBR的科學主任和報告該研究的文章的最後一位作者Mário Tyago Murakami說道。
水豚是世界上最大的活體嚙齒動物，其能非常有效地將植物中含有的糖分轉化為能量，不過它在某些方面不受歡迎–因為它可能藏有傳播巴西斑疹熱的蜱蟲，這是一種由立克次氏體細菌引起的罕見但高度致命的傳染病。
“對反芻動物的研究很多，尤其是牛，但關於單胃草食動物的資料相對較少。跟反芻動物不同，水牛在盲腸中消化草和其他植物物質，”LNBR的生物信息學研究員、文章的通訊作者Gabriela Felix Persinoti指出，“考慮到它們高效的糖分轉化，並且因為皮拉西卡巴地區的水牛以甘蔗和其他植物為食，我們從這樣的假設出發：動物消化道中的微生物可能有獨特的分子策略來解聚這種生物質，這對巴西工業非常重要。”
新穎的方法
這項研究採用的跨學科方法包括多組學和生物信息學以及CNPEM的粒子加速器。Murakami說道：“我不記得有任何研究結合了所有這些技術，包括使用同步輻射光（一種極亮的電磁輻射源，可以幫助科學家觀察材料的內部結構）。在這項研究中，我們的分析從微生物群落一直鑽到某些蛋白質的原子結構。”
科學家們分析了從2017年在塔圖伊根據當地控制水豚數量的政策而被安樂死的三隻雌性水豚的盲腸和直腸採集的樣本。這些動物既沒有懷孕也沒有被立克次體感染。
Persinoti表示：“糞便和直腸樣本是通過腹部手術收集的。材料被冷凍在液氮中。DNA和RNA樣本在實驗室中被提取出來，並使用綜合全能技術進行大規模測序。”
他們首先對標記基因進行測序，在這種情況下是16S，它們存在於所有細菌和古細菌中。“通過這第一次測序，我們能夠檢測出糞便和直腸樣本之間的差異並確定其中的主要微生物。基因16S給了我們一個膚淺的答案，即哪些微生物是存在的，並且或多或少地豐富，但並沒有告訴我們這些微生物產生了哪些酶或哪些酶存在於它們的基因組中。為此，我們使用了另一種全息技術，即元基因組學。我們將水豚胃腸道中整個微生物群落的DNA提交給大規模測序並獲得了更多的數據。通過部署一系列的生物信息學工具，我們不僅能確定每個樣本中存在的基因組以及每個基因組中的基因，而且還能發現哪些基因是新的、哪些微生物從未被描述過。通過這種方式，我們能預測那些有可能幫助解聚生物質並將糖轉化為能源的基因的功能，”Persinoti說道。
研究人員還想知道在收集樣本時哪些微生物最活躍–換言之，微生物實際表達的是哪些基因。為此，他們使用了元轉錄組學，其原料是RNA。Persinoti指出：“我們使用的另一項技術是代謝組學，以確認微生物正在產生哪些代謝物。結合所有這些來自全息學、生物信息學及實際和潛在的基因表達的信息，我們能破譯腸道微生物在實現植物纖維如此高效的轉化中的作用並找出哪些基因參與了這一過程。”
然後，他們分析了所有這些數據以確定可能在減少植物纖維頑固性方面發揮關鍵作用的基因–主要集中在迄今未知的目標。“選擇策略的重點是具有豐富的參與植物生物質解聚的基因的新型基因組，”Persinoti說道，“我們看到這些基因在微生物的基因組中是如何組織的並利用這些信息來發現附近是否有功能未知的基因可能參與分解頑固的植物纖維。這非常重要，因為它指導了對新型基因的搜索，但只有當我們能在後期通過實驗證明這些結果時我們才能確定這些新型酶家族的產生。”
在確定了這些候選者后，研究人員轉而對其功能進行了生化演示。“我們在體外合成了這些基因並使用一種細菌表達它們以產生相應的蛋白質。我們進行了幾種酶和生物化學試驗以發現這些蛋白質的功能和它們的作用部位。我們利用同步輻射和其他技術確定了這些蛋白質的原子結構。有了這些功能和結構信息，我們就能做其他實驗，從而找出這些蛋白質的哪些區域對其活性至關重要並分析其功能的分子機制，”Persinoti解說道。
而據Murakami介紹稱，雙重驗證確保了新型家族確實參與其中。
新型酶和雞尾酒會
據Persinoti介紹稱，新發現的家族之一GH173在食品領域有潛在用途，而另一個家族CBM89則跟碳水化合物識別有關，其可能有助於從甘蔗渣和秸稈中製造第二代乙醇。
研究人員還在用產酶的真菌開發酶雞尾酒，並且新發現的酶還可以自然地包含在這些真菌平台中。“新型酶家族的發現可以跟技術轉讓相結合以支持創新，”Murakami說道，“在我們的小組中，我們對探索這個偉大的巴西生物多樣性寶藏非常感興趣，特別是要了解我們所說的暗基因組物質–這些複雜的微生物群落中潛力未知的部分。我們的中心為此擁有優秀的基礎設施，再加上我們跟公立大學的合作關係，這使得這種有競爭力的研究能夠在巴西進行。事實上，99%的工作，從概念設計到執行、分析和撰寫都是在這裡完成的。鑒於巴西生物多樣性的巨大豐富性，我們有條件和能力做出像這樣的高影響力的發現是可以預期的。”