Tutkijat löytäneet uuden bakteerilahkon – mahdollinen avain biokaasutuotannon kehittämiseen

• Vastikään Darwinbacterialeksi nimetty lahko on yksi runsaimmin esiintyvistä biokaasua synnyttävässä mädätysprosessissa osallisena olevista mikro-organismien taksonomisista ryhmistä.
• Löydön tekivät EU:n rahoittaman Micro4Biogas-projektin tutkijat. Tutkijat analysoivat 80 näytettä 45 biokaasulaitoksesta ympäri Eurooppaa. Analysoinnin tarkoituksena oli tutkia ja kehittää kyseisen uusiutuvan polttoaineen tuotantoa.
• Löydöstä on tiedotettu tiedeyhteisölle kahdessa tutkimuksessa, jotka julkaistiin biologian alan ennakkojulkaisuarkisto bioRxiv:ssa. Tutkimukset odottavat vertaisarviointia.

Madrid, 12.9.2023 – Eurooppalaisen Micro4Biogas-tutkimushankkeen tutkijat ovat löytäneet ja määritelleet uuden bakteerien taksonomisen lahkon. Lahkon bakteerit erikoistuvat orgaanisen aineen hajottamiseen, mikä tekee niistä mahdollisen ratkaisun biokaasupolttoaineen tuotannon kehittämiseen. Darwinbacterialeksi nimetty lahko on yksi biokaasureaktoreissa runsaimmin esiintyvistä bakteereista, mutta sitä ei ole aiemmin tieteellisesti määritelty.

Löydön tekivät saksalaiset, espanjalaiset ja alankomaiset tutkijat, jotka tutkivat 80 näytettä hajoavasta orgaanisesta aineesta. Näytteet kerättiin 45:stä mittavan kokoluokan biokaasutuotantolaitoksesta Saksassa, Alankomaissa ja Itävallassa. Tutkijat sovelsivat DNA-sekvensointia näytteiden mikrobikoostumuksen tutkimiseen. Hämmästyttävää kyllä, Darwinibacteriales-lahkon jäseniä löytyi kaikista 80 näytteestä, biokaasulaitosten eroavaisuuksista ja välimatkoista huolimatta.

Tutkijat etsivät näytteistä keskeisiä mikrobiaalisia tekijöitä mädätysprosessilla. Mädätyksessä orgaaninen aine hajotetaan ja muunnetaan energiarikkaaksi biokaasuksi, jota voidaan käyttää polttoaineena. Prosessia pidetään mustana laatikkona, sillä useimpien mikro-organismien rooli ja dynamiikka jäävät tuntemattomiksi. Biokaasun tuotannon kehittäminen olisi energiateollisuudelle ratkaiseva muutos, sillä se edistäisi fossiilisten polttoaineiden käytöstä luopumista ja riippumattomuutta tuontienergiasta. Mikrobiologisen tutkimuksen puute on kuitenkin hidastanut kehitystä.

”Tämä on hieno esimerkki tilanteesta, jossa löydös on koko ajan ollut aivan silmiemme edessä: asiasta, joka on elintärkeä biokaasun tuotannolle, mutta pysynyt tähän saakka tuntemattomana”, kertoo Manuel Porcar, espanjalaisen Valencian yliopiston Micro4Biogas-koordinaattori ja yksi tutkielman kirjoittajista. ”Työmme on tuonut päivänvaloon mikrobiaalisen jäävuoren huipun, joka on hyvin todennäköisesti avain biokaasun tuotannon kehittämiselle, mutta jota ei tähän saakka ole määritelty genomisella tasolla.”

Löydöksen myötä Micro4Biogas-konsortion tutkijat ovat valmiina luomaan erittäin tehokkaita mikrobiyhteisöjä biokaasua tuottavista mikrobeista. Tavoitteena on tehdä biokaasun tuotantolaitoksista vakaampia ja saavuttaa siten kannattava kaupallinen tuotanto ilman riippuvuutta tuista. Tämä edistää uusiutuvan energian käyttöä maailmanlaajuisesti.

Sivuutettu mikrobiryhmä

Jokaisen näytteen mikrobikannan koostumusta ja monimuotoisuutta ymmärtääkseen tutkijat suorittivat taksonomisen analyysin. Analyysissä sekvensoitiin yksi tietty geeni (16S rRNA -geeni) koko näytteelle. Tuloksia verrattiin referenssitietokantoihin, jotta saatiin selville näytteessä esiintyvät lajit tai taksonit sekä niiden suhteellinen yleisyys.

MBA03 oli aiemmin raportoitu muissa tutkimuksissa kasvattamattomaksi (ei laboratoriossa kasvatettava) bakteeriryhmäksi, mutta kukaan ei ollut kiinnittänyt siihen tarkempaa huomiota. ”Se havaittiin yleensä silloin, kun mädättäviä mikrobiomeja analysointiin 16s rRNA -geenin sekvensoinnilla”, kertoo Adriel Latorre, Darwin Bioprospecting Excellencen genomiikan yksikön johtaja ja yksi tutkimuksen kirjoittajista.

Jotta tätä tuntemattomaksi jäänyttä mikrobiryhmää saatiin tutkittua mahdollisimman tarkasti, tutkijat sekvensoivat täydellisesti 30 näytettä, joissa MBA03 oltiin varmuudella havaittu. “Hämmästyksemme oli suuri, kun kaikkien 30 näytteen täydelliset metagenomit oli analysoitu, eikä MBA03:a löytynyt niistä yhdestäkään. Tämä paljasti teknisen rajoituksen: tämän taksonin genomia ei löytynyt tietokannoista. Siitä hetkestä lähtien tavoitteemme oli selvä: eristää MBA03-genomi ja laatia siitä perusteellinen kuvaus”, Latorre kertoo.

Fylogeneettiset ja fylogenomiset rekonstruktiot, joissa hyödynnettiin Micro4Biogasin tietokantaa, vahvistivat, että MBA03 muodostaa uuden lahkon. Lahko on taksonominen ryhmä, joka on taksonomisella tasolla lajin, suvun ja heimon yläpuolella. Uutta lahkoa kutsutaan nimellä Darwinibacteriales.

Tutkijat epäilevät, että uuden lahkon tietty heimo (Darwinibacteriaceae) toimii molemminpuolisessa yhteistyössä arkeonien kanssa. Arkeonit ovat toinen mikro-organismityyppi, joka on myös osallisena mädätyksessä. Nämä bakteerit tuottavat metabolisia yhdisteitä, joita arkeonit käyttävät metaanikaasun tuottamiseen. Epäily vastaa aiempia tutkimuksia, jotka ovat osoittaneet yhteyden MBA03:n runsaan esiintymisen ja biokaasun tuotannon välillä. Jos tieto vahvistetaan, nämä bakteerit ovat erittäin lupaava kohde biokaasutuotannon lisäämiseen ja kehittämiseen tähtääville strategioille.

Projektille on myönnetty rahoitusta Euroopan Unionin Horisontti 2020 -tutkimus- ja innovaatio-ohjelmasta.