Skládání obrovského puzzle z miliard kousků DNA – nový směr k efektivnější výrobě bioplynu?

Den co den legie mikroorganismů v bioplynových stanicích tvrdě pracují, aby z bioodpadů získaly životně důležitou energii. Na oplátku nám tito drobní dělníci poskytují jako vedlejší produkt bioplyn (směs metanu, oxidu uhličitého a stopové množství dalších plynů). Vědci z Biotechnologického centra (CeBiTec) na Bielefeldské univerzitě v Německu podrobně zkoumají mikroorganismy, kteří produkují nejvíce bioplynu a ve spolupráci s Kalifornským Genomovým institutem plánují během roku 2013 přečíst celé jejich genomy. Bude to však velmi obtížný úkol, neboť tyto mikroorganismy nelze zatím vypěstovat v čisté kultuře a bude třeba osekvenovat neboli přečíst spolu s těmito druhy i stovky genomů ostatních mikroorganismů, které v bioplynovém reaktoru žijí. Tyto náročné bioinformatické analýzy budou prováděny pomocí supermoderních mnoha jádrových počítačů v útrobách CeBiTecu. Bude třeba pečlivě poskládat obrovské puzzle z miliard útržků DNA. Projekt je součástí „Community Sequencing Program“, veřejného sekvenačního programu financovaném Joint Genome Institute (US Department of Energy).

V bioplynových stanicích dochází k fermentaci rostlinné biomasy a posléze za striktně anaerobních podmínek k tvorbě metanu. Ten pak může být využit na tvorbu tepla a elektrické energie. Rozklad a fermentaci rostlinné biomasy a následnou produkci metanu v bioplynových elektrárnách umožňují výhradně mikroorganismy. Tento biochemický proces je velice podobný tomu v zažívacím traktu skotu. Na rozdíl od dalších technologií využívající obnovitelné zdroje energie, jako jsou větrné a solární elektrárny, může být metan produkován téměř nepřetržitě a skladován pro pozdější použití, ať už na topení nebo tvorbu elektrické energie.

Německo, největší producent bioplynu v EU, má v současné době více než 7000 bioplynových elektráren, které zásobují elektřinou přes 6 milionů domácností. V elektrárnách se většinou zpracovává kukuřičná siláž nebo odpady ze živočišného zemědělství, například tekutá mrva. V ČR je evidováno celkem 342 bioplynových elektráren s celkovým výkonem 245 MW.

Němečtí vědci si kladou klíčovou otázku: „Lze produkci bioplynu zefektivnit?“ Vědci v čele s Dr. Andreasem Schlüterem věří, že ano a proto hledají, které konkrétní mikroorganismy jsou zodpovědné za produkci bioplynu. „Zajímá nás mikrobiální a genetická podstata tvorby bioplynu, a také, které mikroorganismy jsou nejvíce aktivní v dílčích stádiích celého procesu“, vysvětluje Andreas Schlüter.

První genom je již rozluštěn

Práce německých vědců již přinesla první ovoce. „V CeBiTecu se nám podařilo rozluštit první kompletní genom producenta metanu, kterým je Metahnoculleus bourgensis“, uvádí další člen týmu, profesor Alfred Pühler. Bielefedská univerzita je tak první institucí, která přečetla genom metanogenní archae žijící v bioreaktoru bioplynové elektrárny. Jedná se o jednobuněčný pradávný mikroorganismus produkující metan, který žil a produkoval metan na naší planetě již před více než 2.5 miliardami let. Němečtí vědci chtějí jít ještě dále a použít zcela unikátní přístup.

Skládání miliard fragmentů DNA

V čem je tento přístup unikátní? „Předchozí studie se soustředily pouze na jednotlivé geny zodpovědné za produkci metanu. My se snažíme přečíst celé genomy mikroorganismů žijící v bioreaktoru, abychom porozuměli principům regulace a exprese klíčových genů. Věříme, že nám rozluštění genomů pomůže celý proces produkce bioplynu optimalizovat a zefektivnit.“, dodává Dr. Schlüter. Spolupracující americké sekvenační centrum vyprodukuje za tímto účelem více než 1TB sekvenačních dat (1 terabáze = 10¹² nukleových bází), což v přepočtu odpovídá cca 300 lidským genomům. Data však budou nejprve ve velmi surovém stavu obsahující nespočet krátkých fragmentů DNA, každý o délce cca 150 bází. „I současné nejmodernější sekvenační přístroje totiž neumožňují přečíst celé mikrobiální genomy (cca 1MB = 10⁶ bází) najednou, proto musíme postupovat po malých fragmentech DNA a ty poskládat do větších celků a posléze do celého mikrobiálního genomu“, upřesňuje Dr. Schlüter.

Miliardy neposkládaných fragmentů DNA proto poputují ze sekvenačního centra do Bielefedské univerzity do skupiny Alexanra Sczyrby. Ten vede sekci Metagenomiky a má k dispozici výpočetní kapacitu nejmodernějších a nejvýkonnějších počítačů. Tým Dr. Sczyrby vyvinul bioinformatický program, který je schopný z fragmentů DNA rekonstruovat celé mikrobiální genomy. Program v podstatě porovnává všechny krátké fragmenty DNA mezi sebou a snaží se najít části fragmentů, které se překrývají a rekonstruuje tak delší úseky mikrobiálního genomu. „Snažíme se vlastně složit DNA puzzle jednoho obrázku/mikroorganismu, který je smíchán s miliardami jiných kousků DNA ostatních mikroorganismů. Pak skládáme další a další obrázky genomů…“, vysvětluje Dr. Sczyrba.

Jednobuněčná genomika slibuje nové poznatky

Tímto jedinečným přístupem se vědci z Bielefeldovi univerzity staly průkopníky nového oboru v genomice, jednobuněčné genomiky. Více než 99% mikroorganismů nelze vypěstovat v laboratoři v čisté kultuře. Jednobuněčná genomika umožnuje určit genom jednotlivých mikrobiálních buněk bez nutnosti jejich složité kultivace. „Tento přístup nám umožní identifikovat a taxonomicky zařadit doposud neznámé mikroorganismy a odhalit jejich unikátní schopnosti uložené v genech. V rámci tohoto společného projektu bychom chtěli přečíst cca 100 mikrobiálních genomů. Za dva roky bychom tak mohli identifikovat klíčovou mikrobiální komunitu v bioplynovém reaktoru, což nám poskytne dobrou startovní pozici pro zefektivnění celého procesu“, dodává Dr. Andreas Schlüter.

Nezbývá než německým kolegům držet palce. Necháme se překvapit za dva roky.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

http://www.sciencedaily.com

http://www.jgi.doe.gov/CSP/

http://www.czba.cz/