GENPLAT (רציף GLBRC אנזימים) מהווה פלטפורמה אוטומטיות לגילוי ואופטימיזציה של קוקטיילים אנזים לפירוק ביומסה. זה יכול להיות מותאם ממקורות מרובים תערובות של אנזימים המכילים רכיבים מרובים.
מאמר שיטה
GENPLAT (רציף GLBRC אנזימים) מהווה פלטפורמה אוטומטיות לגילוי ואופטימיזציה של קוקטיילים אנזים לפירוק ביומסה. זה יכול להיות מותאם ממקורות מרובים תערובות של אנזימים המכילים רכיבים מרובים.
העלות הגבוהה של אנזימים לפירוק ביומסה מהווה מכשול מרכזי להמרה כלכלית של חומרי גלם ליגנוצלולוסיים לדלקים נוזליים להסעה, כגון אתנול. פיתחנו פלטפורמה משולבת בעלת תפוקה גבוהה, הנקראת GENPLAT, לגילוי ופיתוח של אנזימים חדשים ותערובות אנזימטיות לשחרור סוכרים משילובי קדם-טיפול/ביומסה מגוונים. GENPLAT מורכבת מארבעה אלמנטים: אנזימים טהורים בודדים, תכנון סטטיסטי של ניסויים, פיפטאז Robotic של תמיסות ביומסה ואנזימים, וקביעה קולורימטרית אוטומטית של Glc ו-Xyl ששוחררו. אנזימים בודדים מופקים על ידי ביטוי ב- Pichia pastoris או Trichoderma reesei, או על ידי ניקוי כרומטוגרפי מתערובות מסחריות או מתמציות של מיקרואורגניזמים חדשים. מודלי תערובת מסוג Simplex lattice (פקטוריאלי חלקי) מתוכננים באמצעות תוכנה סטטיסטית מסחרית לתכנון ניסויים (Design of Experiment). תערובות אנזימטיות בעלות מורכבות גבוהה מובנות באמצעות פיפטאז Robotic לפורמט של 96 בארות. מדידת Glc ו-Xyl ששוחררו מבוצעת באופן אוטומטי באמצעות בדיקות קולורימטריות מקושרות לאנזימים. תערובות אנזימטיות אופטימליות המכילות עד 16 רכיבים נבחנו על מגוון שילובי חומרי גלם וקדם-טיפול.
GENPLAT ניתן להתאימה לתערובות של אנזימים טהורים, תערובות של מוצרים מסחריים (למשל, Accellerase 1000 ו-Novozyme 188), תמציות של מיקרובים חדשים, או שילובים שלהם. הכנה ובדיקה של תערובות של ˜10 אנזימים טהורים דורשות פחות מ-100 μg של כל חלבון ופחות מ-100 תגובות בסך הכל, כאשר הפעולה מתבצעת בעומס סופי כולל של 15 mg protein/g glucan. אנו משתמשים באנזימים ממקורות שונים. ניתן לטהר אנזימים ממקורות טבעיים כגון תרביות פטריות (למשל, Aspergillus niger, Cochliobolus carbonum, ו-Galerina marginata), או שניתן להפיק אותם על ידי ביטוי של הגנים המקודדים (שהתקבלו ממספר גדל והולך של רצפי גנומים מיקרוביאליים) במארחים כגון E. coli, Pichia pastoris, או פטרייה חוטית כגון T. reesei. ניתן לטהר חלבונים גם מתערובות אנזימים מסחריות (למשל, Multifect Xylanase, Novozyme 188). מספר גדל והולך של אנזימים טהורים, כולל glycosyl hydrolases, esterases הפעילים בדופן התא, proteases ו-lyases, זמינים ממקורות מסחריים, למשל, Megazyme, Inc. (www.megazyme.com), NZYTech (www.nzytech.com), ו-PROZOMIX (www.prozomix.com).
תוכנת Design-Expert (חברת .Stat-Ease, Inc) משמשת ליצירת מערכי סמפלקס-סריג (simplex-lattice designs) ולניתוח תגובות (במקרה זה, שחרור Glc ו-Xyl). תערובות מכילות 4-20 רכיבים, אשר פרופורציות השילוב ביניהם יכולות להשתנות בין 0 ל-100%. נקודות הבדיקה כוללות בדרך כלל את קודקודי הקיצון עם מספר מספיק של נקודות ביניים כדי להפיק מודל תקף. בטרמינולוגיה של תכנון ניסויי, מרבית המחקרים שלנו הם ניסויי "תערובת" (mixture), כלומר סכום כל הרכיבים משלים לעומס חלבון כולל קבוע (המבוטא כ-mg/g גלוקאן). מספר התערובות בסמפלקס-סריג תלוי הן במספר הרכיבים בתערובת והן בדרגת הפולינום (ריבועי או קובי). לדוגמה, ניסוי עם 6 רכיבים יכלול 63 תגובות נפרדות עם מודל קובי מורחב (augmented special cubic model), המסוגל לזהות אינטראקציות של שלושה גורמים, בעוד שרק 23 תגובות בודדות נדרשות עבור מודל ריבועי מורחב. עבור תערובות המכילות יותר משמונה רכיבים, תכנון ניסויי ריבועי הוא מעשי יותר, ובניסיוננו מודלים אלו הם בדרך כלל תקפים סטטיסטית.
כל עמוסי האנזימים מבוטאים כאחוז מהעומס הכולל הסופי (שבניסויים שלנו הוא בדרך כלל 15 mg protein/g glucan). עבור אנזימי "ליבה", הגבול העליון של האחוז הנמוך נקבע על 5%. גבול זה נגזר מהניסיון שלנו, שבו תשואי Glc ו/או Xyl היו נמוכים מאוד אם אנזים ליבה כלשהו היה נוכח ב-0%. מודלים דלים נובעים ממספר רב מדי של דגימות המראות תשואי Glc או Xyl נמוכים מאוד. קביעת גבול תחתון קובעת בתורה גבול עליון. כלומר, בניסוי עם שישה רכיבים, אם הגבול התחתון עבור כל רכיב בודד נקבע על 5%, אזי הגבול העליון של כל רכיב בודד יהיה 75%. הגבולות התחתונים של כל שאר האנזימים הנחשבים כ"עזר" נקבעו על 0%. "ליבה" ו"עזר" הם כינויים שרירותיים במידת מה וישתנו בהתאם לסובסטרט, אך במחקריהם, אנזימי הליבה לשחרור Glc מ-corn stover כוללים את האנזימים הבאים מ-T. reesei: CBH1 (המוכר גם כ-Cel7A), CBH2 (Cel6A), EG1(Cel7B), BG (β-glucosidase), EX3 (endo-β1,4-xylanase, GH10), ו-BX (β-xylosidase).
1. אנזימים הפקה
2. עיצוב של ניסוי
3. אנזימתי הידרוליזה
4. קביעת Glc ו Xyl
5. ניתוח נתונים
6. תוצאות עם נציג GENPLAT:
(1) יצירה של תערובות אופטימיזציה של חלבונים טהורים בודדים. תוצאות המחקר מראות אשר אנזימים חשובים, ובאיזה פרופורציות, וגם אנזימים אשר אינם חשובים. כמה חלבונים בשפע ט reesei secretome (Nagendran et al., 2009), כגון Cip1 ו Cip2, להופיע לשחק שום תפקיד Glc שחרור Stover תירס pretreated על ידי הרחבת אמוניה סיבים (AFEX) או hyd אלקליין רוגן חמצן (AHP) (Banerjee et al. 2010b). מצד שני, כמה חלבונים חשובים באופן בלתי צפוי. לדוגמה, אנדו, xylanases משפחות Hydrolase Glycosyl 10 ו -11 הן חשובות עבור Glc שחרור, אחד xylanase לא יכולה להוות תחליף אחר (Banerjee et al, 2010b, ג.). Cel61A, חלבון קטין ט reesei secretome, חשוב מאוד Glc אך לא Xyl לשחרר. כמה אנזימים חשובים עבור שחרורו של שניהם Glc ו Xyl, בעוד שאחרים נדרשים רק עבור זה או אחר (Banerjee et al. 2010c).
תערובת סינתטי המכיל 16 מרכיבים, שכל אחד מהם בריכוז של 0.94 מ"ג / מ"ל (כלומר, תערובת לא אופטימלית), שוחררו 38% Glc זמינים AFEX-pretreated DDG. הידרוליזה בתנאים זהים, תערובת אופטימלית, שבה ריכוזים של 16 רכיבים נע בין 0% ל -32%, שוחררו 52% Glc (איור 2). ניסוי זה ממחיש את התועלת של בניית תערובות מוגדרות.
_content "> (2) יצירה של קוקטיילים אופטימיזציה עבור המקדים שונות / שילובים המצע. נוכחי ההכנות cellulase מסחריים הם" אחד בגודל-fits-all ". במציאות, קוקטייל הטובה ביותר תלויה המצע והן המקדים. מוצר יחיד כמו Accellerase 1000 נותן תשואות שונה מצעים שונים pretreated באותה הדרך, ומן המצע אותו חשוף pretreatments שונות (איור 1). השתמשנו GENPLAT כדי לייעל את תערובות של אנזימים טהור pretreatments מרובים feedstocks mutiple (Banerjee et al. 2010c). איור 2 מראה כיצד הפרופורציות האנזים אופטימלי של 16 אנזימים טהור שונה עבור AFEX-pretreated Stover תירס, AHP-pretreated Stover תירס, ו-AFEX pretreated DDG. רק 11 אנזימים מוצגות באיור 2. כיוון אופטימלי הפרופורציות של חמישה אחרים (Cel61B, AbfB, Cip1, Cip2 ו Cel12A) נמצאו 0% (Banerjee et al. 2010c).(3) באנזים רומן הגילוי ט ' reesei וא ניז'ר גדלו על מצעים שונים. אחת לחלץ מסוים שיפרה תשואה Glc כאשר הוסיף להגדיר הליבה שלנו. חלבון זה אחראי היה מטוהרים העולם להיות hydrolase glycosyl רומן לא קיים שום הכנה אנזים מסחרי (Banerjee ו וולטון, התוצאות לא פורסם).
(4) גילוי אנזימים טוב יותר. הראינו עם GENPLAT אשר אנזימים הם החשובים ביותר של השפלהביומסה מסוימת, יש לנו הבנה טובה יותר של אנזימים אשר צריך להיות המוקד לשיפור. דוגמאות טובות יותר של האנזימים קריטיים ניתן למצוא על ידי חיפוש בטבע או שבוצעו על ידי הנדסת חלבון. (האנזים יכול להיות "טוב יותר" מאשר homolog ט reesei שלה במספר דרכים, בהתאם הנכס הרצוי, פעילות למשל, ספציפיים יותר, סינרגיה גדולה יותר, ירידה ברגישות proteolytic, או יציבות תרמית משופרת). GENPLAT מספק פלטפורמה משמעותית עבור assaying אנזימים פוטנציאל טוב יותר, משום שהוא מנצל קוקטייל מורכב מציאותי (חשוב כי אין אנזים ביומסה עובד בבידוד) ואת מצע ריאליסטי (חשוב כי התוצאות עם תאית טהורה או מצעים מלאכותיים אחרים לא יכול להיות רלוונטי lignocellulosic טבעי חומרים).
(5) אנזים מסחרי אופטימיזציה. כמויות גדולות מספיק של אנזימים טהור עדיין לא קיימים בעולם האמיתי. עד שהם עושים, אתנול הפרוducers להסתמך על מוצרים מסחריים כגון Accellerase 1000 ו MultifectXylanase. עם זאת, תערובות של אנזימים מסחריים בדרך כלל ביצועים טובים יותר מכל אדם אחד, ו GENPLAT ניתן להשתמש כדי לעצב קוקטיילים אופטימיזציה של אנזימים מסחרי מרובים. איור 3 מציג את השימוש GENPLAT כדי לייעל תערובת של ארבעה ההכנות אנזים מסחרי. הפרופורציות האופטימלי עבור שחרורו של Glc מ AFEX-pretreated DDG נמצאו 47% Accellerase1000, 27% Multifect Pectinase, 22% Novozyme 188, ו -4% Multifect Xylanase (Banerjee et al. 2010c). איור 3 ב מציג את ההבדלים בתשואה Glc מ AFEX-DDG עם ארבעה ההכנות אנזים; את התערובת מסחרי מותאם נותן תשואה גבוהה יותר מאשר Glc Accellerase1000 לבד, SpezymeCP בלבד, או תערובת 16-מרכיב סינתטי. ניסוי זה גם מציין כי את התערובת 16-מרכיב סינתטי חסר אחד או יותר האנזימים הדרושים אופטימלי Glc שחרור, אשר נמצאים אחד או יותר של האנזימים מסחרי. GENPLAT ניתן לנועורך לזהות מרכיבים כאלה.

באיור 1. ללא הכנה יחיד אנזים מסחרי הוא אופטימלי עבור כל מצעים וכל pretreatments. חמש מצעים ושלושה pretreatments הושוו בתנאים דומים של שחיקה (החלקיקים בגודל 0.5 מ"מ), טוען האנזים (15 מ"ג / g גלוקן), ותנאי הידרוליזה (48 שעות, 50 ° C). A. עיכול של AFEX-pretreated מצעים שונים עם Accellerase 1000. עיכול ב 'של Stover תירס pretreated על ידי שלוש שיטות שונות עם Accellerase 1000 (ראה בנרג'י et al. 2010c).

באיור 2. הפרופורציות אופטימלית של 11 אנזימים עבור שחרורו של Glc מ AFEX-pretreated Stover תירס (AFEX-CS), אלקליין חמצן, מימן pretreated Stover תירס (AHP-CS), או AFEX-pretreated יבשים לזקקERS "דגנים (AFEX-DDG). הנתונים הם מתוך בנרג'י et al. (2010c). מספרים לאורך החלק העליון של הסורגים הם התשואות Glc כאחוז מסך Glc במדגם ביומסה.

איור 3 א. השימוש GENPLAT לייצר תערובת אופטימלית של ארבעה ההכנות אנזים מסחרי עבור שחרורו של Glc מ AFEX-pretreated DDG. Multifect Xylanase עשה את התרומה הקטנה ביותר (4%) ו - הושמט ולכן מן התרשים הזה משולשת. התשואות ב Glc מ AFEX-DDG עם טיפולים אנזים שונה בתנאים זהים הידרוליזה (15 מ"ג / g אנזים גלוקן, 48 שעות, 50 ° C) . "ארבע מרכיב מסחרי" יש את הפרופורציות נקבע מהניסוי באיור. 3A.
הוא זוכה להכרה רחבה, כי הפחתת העלות של אנזימים חשוב בהתפתחות של תעשיית האתנול חסכוני lignocellulosic. כרגע זמין קוקטיילים אנזים מסחריות הן תערובות מורכבות מוגדרת היטב של חלבונים רבים (Nagendran et al., 2009), והם מותאמים בעיקר לשימוש על חומצה pretreated Stover תירס. על מנת להאיץ את הפיתוח של קוקטיילים אנזים טוב יותר, מעבדות כמה פיתחו תפוקה גבוהה פלטפורמות גילוי האנזים ואפיון. המאמצים בתחום זה שילבו אחד או יותר מהמאפיינים הבאים נמצא גם GENPLAT: מחלק הרובוטית של אנזימים slurries ביומסה, עיצוב הסטטיסטית של הניסוי, ו / או קביעה אוטומטית של Glc ו Xyl (ברלין et al, 2007; דקר et. al, 2009;. Kim et al, 1998;. King et al, 2009).. GENPLAT מרחיב את המאמצים האלה מוקדם יותר, באופן משמעותי ביותר את המורכבות של תערובות האנזים כי ניתן לנתח מן היותר 6 רכיביםמחקרים קודמים יותר מ 16 בעבודה האחרונה שלנו (Banerjee et al. 2010c). תכונות עיקריות נוספות של GENPLAT הן את השימוש של חדר ערבוב חרוז (מאגר ההנעה) שיכולה לשמור slurries סטובר הושעה במהלך מחלק; ערבוב עדין במהלך העיכול על ידי סיבוב קצה מעל הקצה; ונחישות colorimetric אוטומטי של Glu ו Xyl.
אין ניגודי אינטרסים הכריז.
עבודה זו מומנה בחלקה על ידי משרד האנרגיה האמריקני Great Lakes Bioenergy Research Center (DOE משרד המדע BER DE-FC02-07ER64494) ולהעניק DE-FG02-91ER200021 ממשרד האנרגיה של ארה"ב, משרד האנרגיה של יסוד מדעי, אגף של מדעי הכימיה, Geosciences ו Biosciences. אנו מודים ג'ון סקוט קרייג ומליסה Borrusch חומר שלהם תרומות מושגית.
ציוד ותוכנה בשימוש:
ריאגנטים בשימוש: