巴西研究人员发现、表征和验证了两个具有生物技术潜力的新型酶家族的功能。
减少对石油和其他化石燃料依赖的一种方法是将农业工业废物转化为具有社会意义的分子，例如生物燃料和生物化学品。作为世界上主要的植物生物质生产国之一，巴西处于引领这一转变的有利位置，但木质纤维素原材料（包含木质素、半纤维素和纤维素）难以解构，或者（从技术上讲）难于微生物和酶降解.
巴西科学家正在从大自然中寻找线索，了解如何通过增加这些材料所含糖的可用性来改善这些材料的解聚。巴西能源和材料研究中心 (CNPEM) 的分支机构巴西生物可再生能源国家实验室 (LNBR) 的一个研究小组在坎皮纳斯进行了一项涉及组学（基因组学、蛋白质组学、代谢组学等）和同步加速器光的跨学科研究（所以保罗州），并发现了两个具有生物技术潜力的新型酶家族，由水豚肠道中的微生物产生。CNPEM 是一家由科学、技术和创新部 (MCTI) 监督的私营非营利组织。
这两个酶家族都作用于植物细胞壁的成分，因此可用于生产生物燃料、生物化学品和生物材料。其中之一在乳制品行业也具有潜在应用，因为它可以促进乳糖降解。
动物消化道中存在的微生物可能具有独特的分子策略来解聚这种生物质。来源：加布里埃拉·费利克斯·佩西诺蒂
“我们的一个研究方向探索了巴西的多样性，以寻求新的微生物机制，以减少木质纤维素废物的顽固性。我们注意到，水豚是一种高度适应的食草动物，能够从顽固的植物废物中获取能量，而且它还没有得到太多的研究， ” LNBR 的科学主任、文章的最后一位作者 Mário Tyago Murakami 说。通讯。
水豚 (Hydrochoerus hydrochaeris) 是世界上最大的活啮齿动物，能非常有效地将植物中的糖分转化为能量，尽管在某些方面它不受欢迎，因为它可以携带传播巴西斑疹热的蜱虫，这是一种罕见但高度致命的传染病由立克次氏体立克次氏菌引起。
“有大量关于反刍动物，尤其是牛的研究，但关于单胃食草动物的信息相对稀缺。与反刍动物不同，水豚消化盲肠中的草和其他植物物质，盲肠是大肠的第一部分。鉴于它们高效的糖转化，并且由于 [圣保罗州] Piracicaba 地区的水豚以甘蔗等植物为食，我们从假设开始，即动物消化道中存在的微生物可能具有独特的分子策略来解聚这种生物质对巴西工业非常重要，”LNBR 的生物信息学研究员、文章的通讯作者 Gabriela Felix Persinoti 说。
该研究由 FAPESP 通过主题项目和授予 Mariana Abrahão Bueno de Morais 的博士后奖学金支持。
为什么某些基因的改变只会在人体的特定器官中引起癌症？德国癌症协会 (DKTK)、慕尼黑工业大学 (TUM) 和哥廷根大学医学中心的科学家们现在已经证明，来自不同器官的细胞对癌症驱动因子的激活突变具有不同的敏感性：前体细胞中的相同突变胰腺或胆管导致根本不同的结果。该团队首次发现，组织特异性遗传相互作用是导致胆管和胰腺上皮对癌基因转化的不同易感性的原因。新发现可以指导未来更精确的治疗决策。
新方法
该研究中使用的跨学科方法包括多组学（用于表征水豚肠道微生物群的分子方面的基因组学、转录组学和代谢组学）和生物信息学，以及 CNPEM 的粒子加速器，用于在原子水平上分析发现的酶。“我不记得有任何研究结合了所有这些技术，包括使用同步加速器光（一种极其明亮的电磁辐射源，可以帮助科学家观察材料的内部结构），”村上说。“在这项研究中，我们的分析从微生物群落一直深入到某些蛋白质的原子结构。”
根据当地控制水豚种群的政策，科学家们分析了 2017 年在 Tatuí（圣保罗州）实施安乐死的三只雌性水豚的盲肠和直肠采集的样本。这些动物既没有怀孕也没有被立克次氏菌感染。
“盲肠和直肠样本是通过腹部手术收集的。该材料在液氮中冷冻。在实验室中提取DNA和RNA样本，并使用综合组学进行大规模测序，”Persinoti 说。
他们首先对存在于所有细菌和古细菌中的标记基因（在本例中为 16S）进行测序。“通过第一次测序，我们能够检测盲肠和直肠样本之间的差异，并确定其中的主要微生物。16S基因给了我们一个肤浅的答案，即哪些微生物存在并且或多或少地丰富，但没有告诉我们微生物产生了哪些酶，或者它们的基因组中存在哪些酶，”她解释说。“为此，我们使用了另一种组学技术，宏基因组学。我们将来自水豚胃肠道中整个微生物群落的 DNA 提交给大规模测序，获得了更多的数据。通过部署一系列生物信息学工具，我们不仅能够识别每个样本中存在的基因组，以及每个基因组中的基因，还要找出哪些基因是新的，哪些微生物从未被描述过。通过这种方式，我们能够预测有可能帮助解聚生物质并将糖转化为能量的基因的功能。”
研究人员还想知道在收集样本时哪些微生物最活跃——换句话说，微生物实际表达了哪些基因。为此，他们使用了元转录组学，其原材料是RNA。“我们使用的另一种技术是代谢组学，以确认微生物产生了哪些代谢物，”Persinoti 说。“结合来自组学、生物信息学以及实际和潜在基因表达的所有这些信息，我们能够破译肠道微生物在实现植物纤维高效转化中的作用，并找出哪些基因参与了这一过程。”
然后，他们分析了所有这些数据，以确定可能在减少植物纤维抗逆性方面发挥关键作用的基因，主要关注迄今为止未知的目标。“选择策略侧重于具有大量参与植物生物质解聚的基因的新基因组，”Persinoti 说。“我们看到了这些基因在微生物基因组中的组织方式，并利用这些信息来确定附近是否存在可能参与分解顽固植物纤维的功能未知的基因。这很重要，因为它指导寻找新基因，但只有当我们能够在后期通过实验证明这些结果时，我们才能确定这些新酶家族的创造。”
在确定了这些候选者后，他们开始进行其功能的生化演示。“我们在体外合成了这些基因，并使用细菌表达它们以产生相应的蛋白质，”Persinoti 说。“我们进行了几种酶和生化分析，以发现这些蛋白质的功能以及它们的作用。我们使用同步加速器光和其他技术确定了蛋白质的原子结构。借助这些功能和结构信息，我们能够进行其他实验，以找出蛋白质的哪些区域对其活性至关重要，并分析其功能背后的分子机制。”
根据村上隆的说法，双重验证确保了新的家庭确实参与其中。“我们在理论上形成了一个新发现家族的宇宙的一组序列中选择了一个与我们之前研究过的基因不太相似的基因。我们合成了该基因，对其进行了纯化，对其进行了生化表征，并表明该序列与前一个序列具有相同的功能特性，”他解释道。“换句话说，我们表征了新家族的第二个成员，以绝对确定这些蛋白质确实构成了一个新家族。”
新型酶和鸡尾酒
根据 Persinoti 的说法，新发现的家族之一 GH173 在食品领域具有潜在用途，而另一个家族 CBM89 与碳水化合物识别有关，可能有助于从甘蔗渣和稻草制造第二代乙醇。
研究人员还在开发含有高产酶真菌的酶混合物，新发现的酶自然可以包含在这些真菌平台中。“新酶家族的发现可以与支持创新的技术转让相结合，”村上说。“在我们的团队中，我们对探索这个伟大的巴西生物多样性宝藏非常感兴趣，特别是要了解我们所说的暗基因组物质——这些复杂微生物群落的一部分，具有未知的潜力。为此，我们的中心拥有出色的基础设施，再加上我们与公立大学的合作伙伴关系，这使得此类竞争性研究能够在巴西进行。事实上，从概念设计到执行、分析和撰写，99% 的工作都是在这里完成的。
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