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有用的分子，如生物燃料和生物化学物质。作为世界上主要的植物生物量（plant biomass）生产国之一，巴西在引领这一转变方面处于有利地位。

木质纤维素原料(包含木质素、半纤维素和纤维素)很难分解，或者(更技术地说)难以被微生物和酶降解。巴西科学家正在大自然中寻找线索，通过提高这些材料中糖的可用性来改善这些材料的解聚合。巴西生物可再生能源国家实验室(LNBR)是巴西能源与材料研究中心(CNpEM)的一个分支，其研究团队在坎皮纳斯(So paulo state)进行了一项涉及多组学(基因组学、蛋白质组学、代谢组学等)和同步光的跨学科研究。他们发现了水豚（capybaras，一种南美无尾大水鼠）的肠道微生物中产生的两种具有生物技术潜力的新酶家族。这两个酶家族都作用于植物细胞壁的组成部分，因此可以用于生产生物燃料、生物化学物质和生物材料。其中一种酶也促进乳糖降解，在乳制品行业也有潜在的应用价值。

背景

水豚(Hydrochoerus hydrochaeris)是世界上最大的啮齿类动物，它能非常有效地将植物中的糖分转化为能量，尽管在某些地方它不受欢迎，因为它可以为传播巴西斑点热的蜱虫提供温床，一种由立克次氏体引起的罕见但高度致命的传染病。

“我们的研究方向之一是探索巴西的多样性，以寻求新的微生物机制，以减少木质纤维素废物的阻力。我们注意到，水豚是一种高度适应的食草动物，能够从难以处理的植物废物中获取能量，但对它的研究还不多，”Mário Tyago Murakami说，他是LNBR的科学总监，也是发表在《自然通讯》上的这篇研究文章的最后作者。

“有很多关于反刍动物的研究，特别是牛，但关于单胃食草动物的信息相对较少。与反刍动物不同，水豚在大肠的第一部分盲肠中消化草和其他植物物质。鉴于它们高效的糖转化，并且因为So paulo state地区的水豚以甘蔗和其他植物为食，我们假设存在于动物消化道中的微生物可能有独特的分子策略来分解这些生物量，这对巴西工业非常重要，”LNBR的生物信息学研究员、该文章的通信作者Gabriela Felix persinoti说。

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水豚，图片由文章作者Gabriela Felix persinoti提供

新颖的方法

研究中使用的跨学科方法包括多组学(基因组学、转录组学和代谢组学，用于表征水豚肠道微生物的分子方面)和生物信息学，以及CNpEM的粒子加速器，以原子水平分析发现的酶。Murakami说:“我不记得有其他任何研究结合了所有这些技术，包括使用同步加速器光(一种帮助科学家观察材料内部结构的极其明亮的电磁辐射源)。”“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。”

根据当地控制水豚数量的政策，科学家们分析了2017年在Tatuí (So paulo state)安乐死的三只雌性水豚的盲肠和直肠样本。这些动物既没有怀孕，也没有感染立克次体。

“盲肠和直肠的样本是通过腹部手术采集的。这种材料被冷冻在液氮中。我们在实验室提取DNA和RNA样本，并使用整合组学进行大规模测序。”

他们开始测序标记基因，在这个例子中是存在于所有细菌和古细菌中的16S核糖体。“通过首次测序，我们能够检测盲肠和直肠样本之间的差异，并识别其中的主要微生物。基因16S给了我们一个表面的答案，告诉我们哪些微生物存在，以及其丰度，但没有告诉我们微生物产生了哪些酶，或哪些酶存在于它们的基因组中，”她解释说。“为此，我们使用了另一种组学技术——宏基因组学。我们将水豚胃肠道整个微生物群落的DNA进行大规模测序，获得了更大的数据量。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的基因组，以及每个基因组中的基因，而且还能发现哪些基因是新的，哪些微生物从未被描述过。通过这种方式，我们能够预测基因的功能，这些基因有可能帮助分解生物质并将糖转化为能量。”

研究人员还想知道在采集样本的时候哪些微生物最活跃——换句话说，微生物实际上表达了哪些基因。为此，他们使用了环境转录组学（metatranscriptomics），其原材料是RNA。persinoti说:“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。”“结合来自组学、生物信息学和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如此高效的植物纤维转化中的作用，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，以识别在降低植物纤维抗逆性方面可能发挥关键作用的基因，主要集中在迄今未知的目标上。persinoti说:“选择策略集中在具有大量参与植物生物量解聚的基因的新基因组上。”“我们看到了这些基因在微生物的基因组中是如何组织的，并利用这一信息来发现是否有附近的基因具有未知的功能，可能涉及分解顽固的植物纤维。这很重要，因为它指导了对新基因的搜索，但只有当我们能够在稍后的实验阶段证明这些结果时，我们才能建立这些新酶家族的创造。”

确定了这些候选者后，他们开始对其功能进行生化演示。persinoti说:“我们在体外合成了这些基因，并用一种细菌来表达它们，从而产生相应的蛋白质。”“我们进行了几次酶和生化分析，以发现这些蛋白质的功能和它们的作用。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。有了这些功能和结构信息，我们就能够进行其他实验，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。”

Murakami认为，双重确认确保了新酶家族确实参与其中。“我们选择了一个与我们之前在一组序列中研究的基因不太相似的基因，这组序列理论上形成了一个新发现的家族的共同特征。我们合成了该基因，纯化了它，对其进行了生物化学特征分析，并表明该序列与之前的序列具有相同的功能特性，”他解释说。“换句话说，我们鉴定了新家族的第二个成员，以便绝对确定这些蛋白质确实构成了一个新的家族。”

新型酶和鸡尾酒

据persinoti说，其中一个新发现的糖苷水解酶家族的 β-半乳糖苷酶（命名为 GH173）在食品部门有潜在的用途，而另一个CBM89参与木聚糖结合，与碳水化合物识别有关，可能有助于从甘蔗粕和秸秆生产第二代乙醇。这些结果证明了水豚肠道微生物群如何协调植物纤维的解聚和利用，代表了一个尚未开发的酶机制库，以克服木质纤维素的顽固性，这是对可持续和基于生物的经济的核心挑战。

研究人员也在开发酶鸡尾酒与酶的高产菌，新发现的酶可以自然地包括在这些真菌平台。村上说:“新酶家族的发现可以与技术转移相结合，以支持创新。”“在我们的团队中，我们对探索这一巨大的巴西生物多样性宝藏非常感兴趣，特别是了解我们所谓的黑暗基因组物质——这些复杂微生物群落的一部分，具有未知的潜力。我们的中心为此目的拥有优秀的基础设施，并与公立大学合作，使这类具有竞争力的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。考虑到巴西丰富的生物多样性，我们应该有条件和能力做出这样的重大发现。”