Upptagen, produktiva mikrober använder enzymer för att bryta ner löv, stjälkar och annan biomassa och sedan omvandla det materialet till förnybara bränslen och kemikalier. Men några av dessa enzymer kan inte fungera vid höga temperaturer eller surhet som bibehåller låga driftskostnader för jäsningsprocesser.

En forskargrupp ledd av Iowa State Universitys Laura Jarboe kommer att försöka lösa det problemet genom att identifiera grovare, tuffare enzymer och tekniska mikrober för att använda dem vid industriell jäsning. Deras arbete stöds av ett treårigt, $ 969, 000 bidrag från US Department of Energy.

"Vi vill göra dessa mikrober mer robusta, "sa Jarboe, Iowa State's Cargill -professor i kemiteknik. "Att göra det, vi måste tänka på problemet för mikroberna. Vi kan inte bara säga, 'Gör bättre.'"

I detta fall, enzymer som kräver kylning eller pH (surhet/alkalinitet) justeringar för att förbli aktiva är kostsamma problem. Några av dessa enzymer är avgörande för mikrobernas förmåga att omvandla biobaserade substrat till produkter, och vissa är avgörande för att organismen ska överleva.

Finns det hårdare, tuffare, mer robusta enzymer där ute? Kan industriella mikrober konstrueras för att mer likna "extremofiler" och förbli aktiva under de hårda förhållandena i fermentorerna?

Tillsammans för att hitta svar är Jarboe; Robert Jernigan, en Iowa -stat Charles F. Curtiss Distinguished Professor in Agriculture and Life Sciences vid Roy J. Carver Department of Biochemistry, Biofysik och molekylärbiologi; och Peter St. John, en senior forskare vid Biosciences Center vid U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado.

Miljoner för att studera mikrober

Energiavdelningens kontor för biologisk och miljöforskning delade ut 34 bioteknologibidrag på totalt 45,5 miljoner dollar i sommar, inklusive detta bidrag som stödjer Jarboes arbete, Jernigan och St. John. Vinnarna utsågs efter en tävling, granskningsprocess.

"Biobränslen som kan driva flygplan och fartyg, och bioprodukter från förnybara resurser kommer att spela en avgörande roll för avkolning av vår ekonomi, "sade energiminister Jennifer M. Granholm, i ett uttalande som meddelar bidragen.

Energiavdelningens forskningsprogram är inriktat på två studieområden:Ett, omarbeta mikrober som hjälper till att omvandla biomassa och syntetiska polymerer till bränslen och produkter. Och två, utveckla bildteknik för att bättre studera växter och mikrober som används för att producera bioprodukter.

De olika projekten "hjälper oss att förstå, förutspå, och till och med design (biobränslen och bioprodukter) på mobilnivå, så att vi kan låsa upp deras fulla potential, Sa Granholm.

Labs till fabriker

Jarboe, Jernigan och St. John har utvecklat en tredelad plan för att omarbeta mikrober så att de producerar värme- och syrabeständiga enzymer:

• St John kommer att leda ansträngningar för att bygga beräkning, genomskalemodeller för mikrobiell metabolism, inklusive de kemiska reaktioner som omvandlar socker till energi. Modellerna hjälper forskarna att förutsäga hur högre temperaturer eller förändringar i surhet kommer att förändra reaktionerna. "Vårt arbete kommer att försöka identifiera vilka enzymer som reagerar på dessa påfrestningar och påverkar metabolismen negativt, som sedan kan riktas mot ersättning, " han sa.
• Jernigan kommer att leda sökningar av enzymdata för att identifiera hårda ersättningar för de enzymer som misslyckas vid hög temperatur eller surhet. "Jag har studerat proteiner hela mitt liv och vi har otroligt rik data - flera hundra miljoner proteinsekvenser - och detta är ett tillfälle att praktiskt använda denna information, " han sa.
• Jarboe kommer att leda ansträngningar för att konstruera mikrober som kan producera de robusta ersättningsenzymerna. Det kommer också att finnas experiment för att utvärdera och karakterisera mikroberna, enzymer och resulterande kemiska reaktioner. "Kanske spelar det ingen roll att några av processerna är beroende av mycket känsliga enzymer, "sa hon." Kanske finns det andra enzymer som kan göra exakt samma jobb. "

Om så är fallet, dessa ersättningsenzymer kan en dag göra skillnad i hur bioförnybara bränslen, kemikalier och andra produkter tillverkas.

"Att hitta ett systematiskt tillvägagångssätt för att konstruera termotolerans och pH-tolerans hos mikrober, "St John sa, "förhoppningsvis tillåter nyutvecklade stammar att flytta från labbet till industrin med högre hastighet och lägre kostnad."