GENPLAT (GLBRC منهاج أنزيم) هو منصة الآلي لاكتشاف والاستفادة المثلى من الكوكتيلات انزيم لتدهور الكتلة الحيوية. ويمكن تكييفه مع المواد الأولية متعددة وخليط من الانزيمات التي تحتوي على مكونات متعددة.
مقالة منهجية
GENPLAT (GLBRC منهاج أنزيم) هو منصة الآلي لاكتشاف والاستفادة المثلى من الكوكتيلات انزيم لتدهور الكتلة الحيوية. ويمكن تكييفه مع المواد الأولية متعددة وخليط من الانزيمات التي تحتوي على مكونات متعددة.
تُعد التكلفة العالية للإنزيمات المستخدمة في تفكيك الكتلة الحيوية عائقاً رئيسياً أمام التحويل الاقتصادي للمواد الخام اللجنو-سليلوزية إلى وقود سائل للنقل مثل الإيثانول. لقد قمنا بتطوير منصة متكاملة عالية الإنتاجية، تسمى GENPLAT، لاكتشاف وتطوير إنزيمات جديدة ومزيج من الإنزيمات لتحرير السكريات من تركيبات متنوعة من المعالجة المسبقة والكتلة الحيوية. تتكون منصة GENPLAT من أربعة عناصر: إنزيمات نقية فردية، والتصميم الإحصائي للتجارب، والماصات الروبوتية لملاط الكتلة الحيوية والإنزيمات، والتقدير اللوني الآلي لـ Glc و Xyl المتحررين. يتم إنتاج الإنزيمات الفردية عن طريق التعبير في Pichia pastoris أو Trichoderma reesei، أو عن طريق التنقية الكروماتوغرافية من المزيج التجاري أو من مستخلصات كائنات دقيقة جديدة. يتم تصميم نماذج خليط الشبكة البسيطة (التصميم العاملي الجزئي) باستخدام برمجيات إحصائية تجارية لتصميم التجارب. ويتم بناء خلائط إنزيمية عالية التعقيد باستخدام الماصات الروبوتية في تنسيق 96 بئراً. كما يتم أتمتة قياس Glc و Xyl المتحررين باستخدام مقاييس لونية مرتبطة بالإنزيمات. وقد تم اختبار خلائط إنزيمية محسنة تحتوي على ما يصل إلى 16 مكوناً على مجموعة متنوعة من تركيبات المواد الخام والمعالجة المسبقة.
تتميز منصة GENPLAT بقابليتها للتكيف مع خلائط الإنزيمات النقية، أو خلائط المنتجات التجارية (مثل Accellerase 1000 و Novozyme 188)، أو مستخلصات الميكروبات المستحدثة، أو مجموعات منها. يتطلب تحضير واختبار خلائط مكونة من ˜10 إنزيمات نقية أقل من 100 μg من كل بروتين وأقل من 100 تفاعل إجمالي، وذلك عند التشغيل بحمل إجمالي نهائي يبلغ 15 mg protein/g glucan. نحن نستخدم إنزيمات من مصادر متعددة؛ حيث يمكن تنقية الإنزيمات من مصادر طبيعية مثل المزارع الفطرية (مثل Aspergillus niger و Cochliobolus carbonum و Galerina marginata)، أو يمكن إنتاجها عن طريق التعبير عن الجينات المشفرة (التي يتم الحصول عليها من العدد المتزايد من تسلسلات الجينوم الميكروبي) في مضيفات مثل E. coli, Pichia pastoris، أو فطر خيطي مثل T. reesei. كما يمكن تنقية البروتينات من كوكتيلات الإنزيمات التجارية (مثل Multifect Xylanase و Novozyme 188). ويتوفر عدد متزايد من الإنزيمات النقية من مصادر تجارية، بما في ذلك glycosyl hydrolases، و cell wall-active esterases، و proteases، و lyases، مثل شركات Megazyme, Inc. (www.megazyme.com) و NZYTech (www.nzytech.com) و PROZOMIX (www.prozomix.com).
يُستخدم برنامج Design-Expert (شركة Stat-Ease, Inc.) لإنشاء تصميمات الشبكة البسيطة (simplex-lattice designs) وتحليل الاستجابات (في هذه الحالة، تحرر Glc و Xyl). تحتوي المخاليط على 4-20 مكوناً، والتي يمكن أن تختلف نسبها بين 0 و 100%. وتتضمن نقاط المقايسة عادةً الرؤوس القصوى مع عدد كافٍ من النقاط البينية لإنشاء نموذج صالح. وفقاً لمصطلحات التصميم التجريبي، فإن معظم دراساتنا هي تجارب "مخاليط"، مما يعني أن مجموع كافة المكونات يؤدي إلى تحميل بروتيني إجمالي ثابت (يُعبر عنه بـ mg/g glucan). ويعتمد عدد المخاليط في الشبكة البسيطة على كل من عدد المكونات في الخليط ودرجة كثير الحدود (تربيعية أو تكعيبية). على سبيل المثال، تتطلب تجربة مكونة من 6 عناصر إجراء 63 تفاعلاً منفصلاً باستخدام نموذج تكعيبي خاص مُعزز، والذي يمكنه اكتشاف التفاعلات الثلاثية، بينما يلزم إجراء 23 تفاعلاً فردياً فقط باستخدام نموذج تربيعي مُعزز. بالنسبة للمخاليط التي تحتوي على أكثر من ثمانية مكونات، يكون التصميم التجريبي التربيعي أكثر عملية، وبناءً على خبرتنا، تكون هذه النماذج صالحة إحصائياً في العادة.
يتم التعبير عن جميع حمولات الإنزيمات كنسبة مئوية من إجمالي الحمولة النهائية (والتي تبلغ عادةً في تجاربنا 15 mg protein/g glucan). بالنسبة للإنزيمات "الأساسية"، تم تحديد الحد الأدنى للنسبة المئوية بـ 5%. وقد استُمد هذا الحد من خبرتنا التي أظهرت أن عوائد Glc و/أو Xyl كانت منخفضة جداً في حال وجود أي إنزيم أساسي بنسبة 0%. وتنتج النماذج الضعيفة عن وجود عينات كثيرة تظهر عوائد Glc أو Xyl منخفضة جداً. وبدورها، فإن تحديد حد أدنى يحدد حداً أقصى؛ أي أنه في تجربة مكونة من ستة عناصر، إذا تم تحديد الحد الأدنى لكل مكون منفرد بنسبة 5%، فإن الحد الأقصى لكل مكون منفرد سيكون 75%. أما الحدود الدنيا لجميع الإنزيمات الأخرى التي تُعتبر "إضافية" فقد تم تحديدها بنسبة 0%. وتعد تسميات "أساسية" و"إضافية" تعيينات تعسفية إلى حد ما وتختلف باختلاف الركيزة، ولكن في دراساتنا، تشمل الإنزيمات الأساسية لتحرير Glc من سيقان الذرة الإنزيمات التالية من T. reesei: CBH1 (المعروف أيضاً باسم Cel7A)، وCBH2 (Cel6A)، وEG1(Cel7B)، وBG (β-glucosidase)، وEX3 (endo-β1,4-xylanase, GH10)، وBX (β-xylosidase).
1. إنتاج إنزيم
2. تصميم التجربة
3. الأنزيمية الحلمأة
4. تحديد GLC وXyl
5. تحليل البيانات
6. ممثل النتائج مع GENPLAT :
(1) خلق مزيج الأمثل للبروتينات نقية الفردية. وتشير النتائج التي إنزيمات مهمة ، في ما والنسب ، وكذلك الانزيمات التي ليست ذات أهمية. بعض البروتينات التي هي وفرة في T. reesei secretome (Nagendran وآخرون ، 2009) ، ومثل Cip1 Cip2 ، ويبدو أن تلعب أي دور في اطلاق سراح GLC من حطب الذرة سابقة التجهيز عن طريق التوسع الألياف الأمونيا (AFEX) أو القلوية HYD روجين بيروكسيد (برنامج مكافحة الجوع) (بانيرجي وآخرون ، 2010b). من ناحية أخرى ، وبعض البروتينات هامة بشكل غير متوقع. على سبيل المثال ، إندو - xylanases الأسر هيدرولاز غليكوزيل 10 و 11 وكلاهما مهم للافراج GLC ، واحد لا يمكن xylanase بديلا عن (ج بانيرجي وآخرون ، 2010b ،.) أخرى. Cel61A ، وهو بروتين صغير في T. reesei secretome ، مهم جدا ولكن ليس لGLC Xyl الافراج عنهم. بعض الأنزيمات الهامة لإطلاق سراح كل من GLC وXyl ، في حين أن البعض الآخر ضرورية فقط من أجل هذا أو ذاك (بانيرجي وآخرون ، 2010c).
الإفراج عن خليط الاصطناعية تحتوي على مكونات 16 ، كل بتركيز 0.94 ملغم / لتر (أي خليط غير الأمثل) ، و 38 ٪ من GLC المتاحة من AFEX سابقة التجهيز ، نائب المدير العام. في ظل ظروف مماثلة المائي ، وهو مزيج أمثل ، والتي تراوحت تركيزات العناصر 16 من 0 ٪ إلى 32 ٪ ، أصدرت 52 ٪ من GLC (الشكل 2). هذه التجربة توضح فائدة بناء مخاليط محددة.
_content "> (2) خلق من الكوكتيلات المعالجة الأمثل لمختلف / تركيبات الركيزة. الاستعدادات الحالية سلولاز تجارية هي" ذات حجم واحد يناسب الجميع "، وفي الواقع ، فإن أفضل الكوكتيل يعتمد على ركيزة كل والمعالجة و. منتج واحد مثل Accellerase 1000 يعطي غلة مختلفة من ركائز مختلفة سابقة التجهيز في الطريق نفسه ، وركيزة من تعرضوا لنفس المعالجة المسبقة مختلفة (الشكل 1) ، ونحن قد استخدمت لتحسين GENPLAT خليط من الانزيمات النقية لالمعالجة المسبقة المتعددة والمواد الأولية mutiple (بانيرجي وآخرون بن. ، 2010c). الشكل 2 يوضح كيف أن نسب انزيم الأمثل لل16 الانزيمات النقي يختلف عن حطب الذرة AFEX - سابقة التجهيز ، AHP سابقة التجهيز ، حطب الذرة ، ونائب المدير العام AFEX - سابقة التجهيز. ترد سوى 11 الانزيمات في الشكل 2 لأن الأمثل تم العثور على نسب الخمس الأخرى (Cel61B ، AbfB ، Cip1 ، Cip2 وCel12A) لتكون 0 ٪ (بانيرجي وآخرون ، 2010c).(3) رواية اكتشاف انزيم T. وألف reesei النيجر نمت على ركائز مختلفة. عززت واحد استخراج سيما GLC الغلة عندما تضاف إلى مجموعة أساسية لدينا. تمت تنقية هذا البروتين المسؤول ويظهر أن يكون هيدرولاز غليكوزيل الرواية غير موجودة في أي تحضير الانزيم التجارية (بانيرجي والتون ، ونتائج غير منشورة).
(4) اكتشاف أفضل الانزيمات. بعد أن أظهرت GENPLAT مع الانزيمات التي هي أهم من التدهورالكتلة الحيوية بصفة خاصة ، لدينا فهم أفضل للأنزيمات التي يجب التركيز عليها لتحسينها. يمكن العثور على أمثلة أفضل من الانزيمات الهامة التي تبحث في الطبيعة أو التي الهندسة البروتين. (وهو الانزيم قد يكون "أفضل" من homolog لها reesei T. بطرق عدة ، اعتمادا على الخاصية المطلوبة ، على سبيل المثال انخفضت والنشاط العالي الخاصة ، وزيادة التآزر ، وحساسية بروتين ، أو تعزيز الاستقرار الحراري). GENPLAT يوفر منبرا مفيدا للمعايرة أنزيمات أفضل يحتمل ، لأنه يستخدم مزيج معقد واقعي (وهو أمر مهم لأنه لا يوجد أنزيم الكتلة الحيوية يعمل في عزلة) وركيزة (هام واقعية لأن النتائج مع السليلوز النقي أو ركائز اصطناعية أخرى قد لا تكون ذات صلة lignocellulosic الطبيعية المواد).
(5) انزيم التحسين التجاري. كميات كبيرة بما فيه الكفاية من الانزيمات نقية لا وجود لها حتى الآن في العالم الحقيقي. حتى يفعلوا ، والإيثانول المواليةducers يجب الاعتماد على المنتجات التجارية مثل 1000 Accellerase وMultifectXylanase. ومع ذلك ، خليط من الانزيمات التجارية عموما أداء أفضل من أي فرد واحد ، ويمكن استخدامها لتصميم GENPLAT الكوكتيلات الأمثل من الانزيمات التجارية متعددة. الشكل 3 يبين استخدام GENPLAT لتحسين مزيج من أربعة استعدادات الانزيم التجارية. تم العثور على نسب مثالية لإطلاق سراح من GLC AFEX سابقة التجهيز ، نائب المدير العام لتكون 47 ٪ Accellerase1000 ، 27 ٪ Multifect بكتيناز ، و 22 ٪ Novozyme 188 ، و 4 ٪ Multifect Xylanase (بانيرجي وآخرون ، 2010c). ويبين الشكل 3B الاختلافات في المحصول من AFEX GLC - DDG مع استعدادات الانزيم الأربع ؛ الخليط الأمثل التجارية يعطي أعلى عائد من GLC Accellerase1000 وحده ، SpezymeCP وحده ، أو خليط مكون من 16 الاصطناعية. هذه التجربة يشير ايضا الى ان الخليط المكون من 16 الاصطناعية مفقود واحد أو أكثر من الانزيمات اللازمة لإطلاق سراح GLC الأمثل ، والتي هي موجودة في واحد أو أكثر من الإنزيمات التجارية. يمكن أن يكون لنا GENPLATإد لتحديد هذه المكونات.

الشكل 1. رقم واحد تحضير الانزيم التجارية هو الأمثل لجميع ركائز والمعالجة المسبقة جميع. وتمت مقارنة خمس ركائز والمعالجة المسبقة الثلاثة تحت ظروف مماثلة لطحن (0.5 ملم حجم الجسيمات) ، انزيم التحميل (15 ملغ / غ جلوكان) ، وظروف التحلل (48 ساعة و 50 درجة مئوية). ألف الهضم من ركائز AFEX - سابقة التجهيز مختلفة مع Accellerase 1000. باء سابقة التجهيز الهضم من حطب الذرة بواسطة ثلاث طرق مختلفة مع Accellerase 1000 (انظر بانيرجي وآخرون ، 2010c).

الشكل 2. نسب الأمثل للأنزيمات لإطلاق سراح 11 من GLC من AFEX سابقة التجهيز ، حطب الذرة (AFEX - CS) ، بيروكسيد الهيدروجين ، القلوية سابقة التجهيز حطب الذرة (AHP - CS) ، أو سابقة التجهيز ، AFEX المجففة تقطيرERS "الحبوب (AFEX - نائب المدير العام). البيانات هي من بانيرجي وآخرون. (2010c). أرقام على طول الجزء العلوي من القضبان هي غلة GLC كنسبة مئوية من مجموع GLC في العينة الكتلة الحيوية.

الشكل 3 ألف. استخدام GENPLAT لانتاج أفضل مزيج من أربعة استعدادات الانزيم التجارية من أجل إطلاق سراح GLC من AFEX سابقة التجهيز ، نائب المدير العام. أدلى Multifect Xylanase أصغر مساهمة (4 ٪) ، وبالتالي حذفت من هذا المخطط الثلاثي. باء غلة GLC من AFEX - DDG مع علاجات مختلفة انزيم في ظل ظروف مماثلة المائي (15 انزيم غلوكان مغ / ز ، ح 48 ، و 50 درجة مئوية) . "المكون من أربعة التجارية" لديه النسب المحددة من التجربة هو مبين في الشكل. 3A.
ومن المعترف به على نطاق واسع أن خفض تكلفة الانزيمات مهم لتطوير صناعة الايثانول lignocellulosic اقتصادية. المتاحة حاليا الكوكتيلات انزيم التجارية هي مزيج معقد ومحددة بشكل واضح من العديد من البروتينات (Nagendran وآخرون ، 2009) ، ويتم تكييفها أساسا للاستخدام على حمض سابقة التجهيز حطب الذرة. من أجل تسريع عملية تطوير أفضل الكوكتيلات الانزيم ، وضعت العديد من المختبرات عالية الإنتاجية منصات لاكتشاف انزيم والتوصيف. وقد أدرجت الجهود المبذولة في هذا المجال واحد أو أكثر من الخصائص التالية كما وجدت في GENPLAT : الاستغناء عن الروبوت من الانزيمات وعجائن الكتلة الحيوية ، والتصميم الإحصائي للتجربة ، و / أو تحديد الآلية لGLC وXyl (برلين وآخرون ، 2007 ؛ ديكر وآخرون. القاعدة ، 2009 ؛. كيم وآخرون ، 1998 ؛ الملك وآخرون ، 2009). GENPLAT تمتد هذه الجهود في وقت سابق ، وأهمها في تعقيد مخاليط الانزيم الذي يمكن تحليلها على الأكثر من 6 عناصر فيفي دراسات سابقة إلى أكثر من 16 في عمل آخر لدينا (بانيرجي وآخرون ، 2010c). الملامح الرئيسية إضافية من GENPLAT يتم استخدام غرفة خلط حبة (الخزان مجداف) التي يمكن أن تبقي عجائن حطب علقت خلال صرفها ؛ لطيف أثناء عملية الهضم خلط بحلول نهاية العام خلال نهاية التناوب ، وتحديد الآلية اللونية من حمض الغلوتاميك وXyl.
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
وقد تم تمويل هذا العمل في جزء من وزارة الخارجية الامريكية من البحيرات العظمى للطاقة مركز أبحاث الطاقة الحيوية (وزارة الطاقة مكتب العلوم BER - DE - FC02 07ER64494) ومنح DE - FG02 - 91ER200021 من وزارة الطاقة الأميركية ، ومكتب للعلوم الأساسية للطاقة ، شعبة من العلوم الكيميائية ، علوم الأرض والعلوم البيولوجية. نشكر جون كريج سكوت وBorrusch ميليسا عن وضعهم المادي والتبرعات المفاهيمي.
المعدات والبرمجيات المستخدمة :
الكواشف المستخدمة :