Биоконверсия лигноцеллюлозной биомассы: биохимические и молекулярные аспекты

В связи с ростом цен на нефть из-за увеличения спроса на топливо в ближайшие годы ожидается резкое повышение потребности в альтернативных источниках биоэнергии. Среди возможных альтернативных ресурсов лигноцеллюлозное сырьё рассматривается как основной источник биотоплива и других продуктов с высокой добавленной стоимостью. Сельскохозяйственные, промышленные и лесные отходы, содержащие лигноцеллюлозу, составляют большую часть всей биомассы в мире. Для получения из целлюлозной биомассы продуктов, важных для промышленности, необходимо сначала преобразовать её целлюлозные компоненты в сбраживаемые сахара. Многие микроорганизмы, в том числе бактерии и грибы, способны расщеплять целлюлозную биомассу до мономеров глюкозы. Бактериальные целлюлазы образуют отдельные многокомпонентные ферментные комплексы — целлюлосомы, состоящие из нескольких субъединиц. В состав ферментных систем мицелиальных грибов, особенно Trichoderma reesei, входят две экзоглюканазы, или целлобиогидролазы (CBH1 и CBH2), не менее четырёх эндоглюканаз (EG1, EG2, EG3, EG5) и одна β-глюкозидаза. Эти ферменты действуют синергично, катализируя гидролиз целлюлозы. На биоконверсию лигноцеллюлозы могут существенно влиять различные физические параметры, такие как pH, температура и адсорбция, а также химические факторы — содержание азота и фосфора, наличие фенольных соединений и других ингибиторов. Генетические и биохимические механизмы регуляции продукции целлюлаз микробными клетками включают индукцию, катаболитную репрессию и ингибирование конечным продуктом. Для повышения продукции целлюлаз предпринимались попытки улучшить штаммы с помощью мутагенеза. Для получения бактериальных и грибковых штаммов, продуцирующих больше целлюлаз, применяли различные физические и химические методы, однако их успех был ограниченным. Биоконверсия целлюлозы — сложный процесс, требующий синергичного действия трёх компонентов ферментной системы: эндоглюканаз, экзоглюканаз и β-глюкозидаз. Совместное культивирование микроорганизмов в процессе ферментации может увеличить количество необходимых компонентов целлюлазного комплекса. Пониманию молекулярных механизмов биодеградации лигноцеллюлозы и развитию потенциала целлюлозолитических микроорганизмов в биопроцессах могут способствовать технологии рекомбинантной ДНК. Например, клонирование и секвенирование различных генов целлюлаз способно снизить стоимость их производства. Кроме того, метаболическая инженерия и геномные подходы обладают значительным потенциалом для углубления понимания молекулярных механизмов биоконверсии лигноцеллюлозы в экономически значимые продукты с добавленной стоимостью.