Целлюлоза это в биологии: ЦЕЛЛЮЛОЗА | это… Что такое ЦЕЛЛЮЛОЗА?

Про целлюлозу, биотопливо и коровий желудок

У всех высших растений на нашей планете оболочки клеток состоят главным образом из целлюлозы. В химическом отношении целлюлоза, она же клетчатка, представляет собой биополимер, высокомолекулярный углевод, полисахарид, молекулы которого образованы длинными, соединенными друг с другом множеством водородных связей линейными цепочками из сотен или даже тысяч остатков глюкозы. Целлюлоза буквально напрашивается в качестве сырья для биотоплива, поскольку сельскохозяйственное производство дает из года в год сотни тысяч, а то и миллионы тонн растительных отходов, которые состоят практически из чистой клетчатки. Проблема лишь в том, что целлюлоза плохо поддается расщеплению.

Вильфрид Вебер (Wilfried Weber), профессор Центра по изучению биологических сигнальных процессов (BIOSS) при Фрайбургском университете, говорит: «Если вы собираетесь производить биотопливо не из продовольственного сырья вроде кукурузы, пальмового масла и так далее, то оптимальной альтернативой представляются трава и солома как отход сельского хозяйства, а также древесина. Но с этими видами сырья связана одна проблема: главный энергоноситель в них — целлюлоза. А переработать целлюлозу в жидкое топливо, пригодное, скажем, для заправки автомобиля, очень непросто».

Термиты как альтернатива дрожжам

Во всяком случае, дрожжи, легко осуществляющие спиртовое брожение простых сахаров, с целлюлозой не справляются. Поэтому ученые разных стран активно ищут альтернативные процессы и технологии. Особенно активно работают в этом направлении американцы и немцы. Американский микробиолог, профессор Гари Строубел (Gary Strobel) из университета штата Монтана в Боузмене — изучает обнаруженный в Чили симбиотический гриб Gliocladium roseum, способный расщеплять целлюлозу с образованием этана и других летучих углеводородов; другой — профессор Джаред Ледбеттер (Jared R. Leadbetter) из Калифорнийского технологического института в Пасадене — исследует кишечную микрофлору обитающих в Коста-Рике термитов рода Nasutitermes, способных за считанные месяцы полностью переварить деревянный дом вместе с мебелью.

А специалисты Объединенного института геномных исследований в Уолнат-Крике, штат Калифорния, обратились к крупному рогатому скоту. Ведь хотя жвачные животные — так же, как и люди — не обладают собственными ферментами, способными расщеплять целлюлозу, они тем не менее прекрасно обходятся в качестве корма травой и сеном, то есть практически чистой клетчаткой, и умудряются усваивать ее так, что она вполне удовлетворяет их энергетические потребности.

Метагеномный анализ коровьего желудка

Очевидно, все дело тут в микрофлоре пищеварительного тракта. Именно это и побудило калифорнийских ученых произвести так называемый метагеномный анализ микроорганизмов, населяющих коровий желудок, то есть секвенировать все имеющиеся там нуклеиновые кислоты в надежде обнаружить гены, причастные к расщеплению клетчатки. В общей сложности исследователи идентифицировали в коровьем желудке почти 30 тысяч биомолекул. Теперь ученые надеются, что процессы, происходящие в желудке коровы, удастся воспроизвести в искусственных условиях — сначала в лаборатории, а потом и в крупных промышленных установках по производству биоэтанола. Во всяком случае, это отвечало бы представлениям так называемой синтетической биологии, которая видит свою задачу в том, чтобы по-новому скомбинировать отдельные природные элементы.

Журналисты любят сравнивать такой подход со сборкой самых разных изделий и сооружений из стандартных кирпичиков конструктора Lego. Но на самом деле не все так просто, — говорит Вильфрид Вебер: «До такой легоподобной биологии нам пока, к сожалению, еще очень далеко. Это связано с тем, что биологические компоненты гораздо хуже поддаются стандартизации или переносу из одной среды в другую, чем кирпичики лего или, скажем, электронные компоненты».

Легоподобные биокомпоненты

Ключевую роль в современной синтетической биологии играет база данных в Массачусетском технологическом институте в Кеймбридже близ Бостона. Эта база содержит информацию обо всех имеющихся в наличии биокомпонентах. Их можно заказать, как книги или одежду по каталогу посылторга. Впрочем, и тут есть проблемы. Вильфрид Вебер: «На сегодняшний день этот каталог MIT содержит более 3,5 тысяч биологических компонентов — в основном генов. Это очень ценный ресурс, позволяющий получить все необходимые фрагменты ДНК. К сожалению, описание этих фрагментов часто оставляет желать лучшего. Нам уже не раз доводилось испытывать разочарование, когда мы заказывали там определенные компоненты и получали совсем не то, что указывалось в описании. То есть система контроля качества там пока не на высоте». Но это, конечно, ни в коей мере не ставит под сомнение перспективы синтетической биологии.

Сельскохозяйственные отходы превратили в уникальный вид целлюлозы

Бактериальная наноцеллюлоза (БНЦ) – это уникальный материал, обладающий несколькими преимуществами перед своим растительным аналогом (целлюлозой). В природе она образуется в процессе жизнедеятельности нескольких видов бактерий. Волокна бактериальной целлюлозы длиннее, шире и прочнее, чем волокна ее растительного аналога. В этой целлюлозе, в отличие от обычной, практически нет примесей, которые, как правило, негативно сказываются на ее прочностных и поглощающих свойствах.

Бактериальную наноцеллюлозу можно применять во многих областях, например, в медицине для создания искусственной кожи. Она играет активную роль в стимулировании регенеративных процессов, помогая заживлению ран. Уже сегодня ее применяют для создания новых материалов и нанокомпозитов. Благодаря большой площади поверхности и пористой структуре наноцеллюлоза также способна впитывать большое количество различных веществ, что может быть использовано в медицине для создания повязок. Высокая прочность бактериальной наноцеллюлозы позволяет использовать ее в качестве материала для 3D-печати некоторых видов человеческой ткани, например, хрящей.

Получить бактериальную целлюлозу непросто: для этого необходима питательная среда на основе глюкозы. Однако создать ее достаточно дорого.

Коллектив лаборатории биоконверсии ИПХЭТ СО РАН разработал новый метод получения питательной среды для синтеза бактериальной наноцеллюлозы. В качестве исходного сырья ученые предложили использовать шелуху овса и биомассу технического злака – мискантуса, что намного дешевле синтетической среды. Чтобы превратить исходное сырье в растворы сахара для получения наноцеллюлозы, ученые используют специальные ферменты (вещества, ускоряющие химические реакции). Ферменты не действуют непосредственно на сырье, потому что целлюлоза в природе образует монолитный композит с другими органическими веществами (гемицеллюлозами и лигнином). Чтобы разрушить этот композит и сделать целлюлозу доступной для действия ферментов, ученые использовали методы химической обработки: разбавленные растворы азотной кислоты и щелочи – гидроксида натрия. Оба этих вещества в малых концентрациях разрушают связи между основными компонентами природного композита, не воздействуя при этом на структуру молекул целлюлозы.

«Главная задача нашего проекта – разработка инженерных аспектов технологии получения БНЦ из непищевого сырья. Знание этих аспектов позволит создать технологию ее получения с заданными свойствами для конкретных приложений», – говорит старший научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН Екатерина Кащеева.

В перспективе ученые планируют разработать фундаментальные основы технологии получения бактериальной наноцеллюлозы на непищевых питательных средах и предоставить лабораторный технологический регламент на процесс ее получения.

Теги

СМИ о Фонде, Инженерные науки, Спецпроект

От целлюлозы до клетки | Журнал экспериментальной биологии

СТАТЬЯ В ЖУРНАЛЕ| 01 декабря 1999 г.

Дж. Ф. Винсент

Информация об авторе и статье

Номер в сети: 1477-9145

Номер для печати: 0022-0949

https://doi.org/10.1242/jeb.202.23.3263a

  • Разделенный экран
  • Просмотры
    • Содержание артикула
    • Рисунки и таблицы
    • Видео
    • Аудио
    • Дополнительные данные
    • Экспертная оценка
  • PDF
  • Делиться
    • Facebook
    • Твиттер
    • LinkedIn
    • MailTo
  • Инструменты

    • Получить разрешения

    • Иконка Цитировать Цитировать

  • Поиск по сайту

Цитата

Дж. Ф. Винсент; От целлюлозы к клетке. J Exp Biol

1 декабря 1999 г.; 202 (23): 3263–3268. дои: https://doi.org/10.1242/jeb.202.23.3263a

Скачать файл цитаты:

  • Рис (Зотеро)
  • Менеджер ссылок
  • EasyBib
  • Подставки для книг
  • Менделей
  • Бумаги
  • КонецПримечание
  • РефВоркс
  • Бибтекс
панель инструментов поиска

Расширенный поиск

Клеточная стенка часто изображается как более или менее беспорядочное войлоко из микрофибрилл целлюлозы в сочетании с другими полисахаридными и белковыми комплексами. Имеются данные морфологии, морфогенеза и механики, что структуры в клеточной стенке гораздо более регулярны и что их взаимодействия обусловлены их химическими и морфологическими свойствами. В частности, модель, основанная на жидкокристаллических структурах, имеет не только морфологическое значение.

Этот контент доступен только в формате PDF.

Целлюлоза продавливается | Nature Chemical Biology

  • Опубликовано:

Гликобиология

  • Энн Эндлер 1 ,
  • Клара Санчес-Родригес 1 и
  • Стаффан Перссон 1  

Природа Химия Биология том 6 , страницы 883–884 (2010 г.)Процитировать эту статью

  • 1287 доступов

  • 12 цитирований

  • Сведения о показателях

Субъекты

  • Бактерии
  • Биополимеры
  • Биосинтез
  • Гликобиология

Полимерная целлюлоза на основе глюкозы имеет большое биологическое и экономическое значение; однако мало что известно о том, как синтезируется целлюлоза. Теперь структурные оценки одной из синтезирующих целлюлозу субъединиц в бактерии Acetobacter xylinum помогают объяснить экструзию вновь синтезированных цепей глюкана.

Целлюлоза, основной наземный биополимер, состоит из связанных водородными связями β-1,4-связанных единиц глюкозы. Помимо значительной биологической роли, целлюлоза также имеет существенное экономическое значение. Например, целлюлоза служит сырьем для текстильных и бумажных изделий, и ожидается, что она станет ключевым предшественником этанола, полученного из глюкозы 9.0125 1

. Основную часть целлюлозы получают из растительных ресурсов, в которых для синтеза целлюлозы используется полученный фотосинтезом нуклеотидный сахар УДФ-глюкоза (УДФ-Глк). Тем не менее многие нефотосинтезирующие организмы, в том числе бактерии, грибы и животные, также производят целлюлозу. Среди них обычная уксусная бактерия Acetobacter xylinum или Gluconacetobacter xylinus превращает UDP-Glc в целлюлозу. Однако способы, с помощью которых A. xylinum и другие бактерии синтезируют целлюлозу, до конца не изучены. Ху
и др. . 2 определили структуру одной из субъединиц, ответственных за синтез целлюлозы в A. xylinum , и предложили модель того, как цепи на основе глюкозы выдавливаются из этих грамотрицательных (двухмембранных) бактерий.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

118,99 €

всего 9,92 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

$32,00

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рисунок 1: Синтез целлюлозы в A. xylinum .

Ссылки

  1. Somerville, C. Annu. Преподобный Cell Dev. биол. 22 , 53–78 (2006).

    Артикул КАС Google ученый

  2. Ху, С.К. и другие. Проц. Натл. акад. науч. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 107 , 17957–17961 (2010)

    Артикул КАС Google ученый

  3. Рёмлинг, У. Рез. микробиол.

    153 , 205–212 (2002).

    Артикул Google ученый

  4. Kimura, S. et al. J. Бактериол. 183 , 5668–5674 (2001).

    Артикул КАС Google ученый

  5. Лин, Ф.К. и другие. J. Biol. хим. 265 , 4782–4784 (1990).

    КАС пабмед Google ученый

  6. Saxena, I.M. et al. J. Бактериол. 176 , 5735–5752 (1994).

    Артикул КАС Google ученый

  7. Белецкий С. и др. Биотехнология биополимеров . (ред. Штайнбухель, А. и Дои, Ю.) 381–434 (2005).

    Google ученый

  8. Пир, Дж. Р. и др. Проц. Натл. акад. науч. США 93 , 12637–12642 (1996).

    Артикул КАС Google ученый

  9. Czaja, W. et al. Биоматериалы 27 , 145–151 (2006).

    Артикул КАС Google ученый

Ссылки для скачивания

Информация об авторе

Авторы и организации

  1. Энн Эндлер, Клара Санчес-Родригес и Стаффан Перссон из Института молекулярной физиологии растений им. Макса Планка, Потсдам, Германия.

    Энн Эндлер, Клара Санчес-Родригес и Стаффан Перссон

Авторы

  1. Anne Endler

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

  2. Clara Sánchez-Rodríguez

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за корреспонденцию

Стаффан Перссон.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *