Forskere afslører, hvordan molekylære vejspærringer bremser nedbrydningen af cellulose til biobrændstoffer
Cellulose, som hjælper med at give plantecellevægge deres stive struktur, lover som et fornybart råmateriale til biobrændstoffer - hvis forskerne kan fremskynde produktionsprocessen. Sammenlignet med nedbrydningen af andre biobrændstofmaterialer som majs, er nedbrydning af cellulose langsom og ineffektiv, men man kan undgå bekymringer omkring brugen af en fødevarekilde, mens man drager fordel af rigelige plantematerialer, som ellers kunne gå til spilde. Ny forskning ledet af Penn State-forskere har afsløret, hvordan adskillige molekylære vejspærringer bremser denne proces.
Holdets seneste undersøgelse, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , beskriver den molekylære proces, hvorved cellobiose - et to-sukker fragment af cellulose, der fremstilles under cellulosedekonstruktion - kan tilstoppe rørledningen og forstyrre efterfølgende cellulosenedbrydning.
Biobrændstofproduktion er afhængig af nedbrydning af forbindelser som stivelse eller cellulose til glucose, som derefter effektivt kan fermenteres til ethanol til brug som brændstof eller omdannes til andre nyttige materialer. Den dominerende mulighed for biobrændstof på markedet i dag er genereret af majs, til dels fordi, sagde forskerne, deres stivelse nedbrydes let.
"Der er flere betænkeligheder ved at bruge majs som biobrændstofkilde, herunder at konkurrere med den globale fødevareforsyning og den store mængde drivhusgasser, der produceres ved fremstilling af majsbaseret ethanol," siger Charles Anderson, professor i biologi ved Penn State Eberly College of Science og en forfatter til papiret.
"Et lovende alternativ er at nedbryde cellulose fra de ikke-spiselige dele af planter som majsstilke, andet planteaffald som skovrester og potentielt dedikerede afgrøder, der kunne dyrkes på marginale arealer. Men en af de vigtigste ting, der holder tilbage kaldet anden generations biobrændstoffer fra at være økonomisk konkurrencedygtige er, at den nuværende proces til at nedbryde cellulose er langsom og ineffektiv."
"Vi har brugt en relativt ny billedbehandlingsteknik til at udforske de molekylære mekanismer, der bremser denne proces."
Cellulose er sammensat af kæder af glucose, holdt sammen af hydrogenbindinger til krystallinske strukturer. Forskere bruger enzymer kaldet cellulaser, der stammer fra svampe eller bakterier, til at nedbryde plantemateriale og udvinde glukosen fra cellulosen. Men, sagde forskerne, celluloses krystallinske struktur parret med andre forbindelser kaldet xylan og lignin - også til stede i cellevægge - giver yderligere udfordringer for cellulosenedbrydningen. Traditionelle teknikker var imidlertid ikke i stand til at afsløre de specifikke molekylære mekanismer bag disse opbremsninger.
For at udforske disse uklare mekanismer mærkede forskerne individuelle cellulaser kemisk med fluorescerende markører. De brugte derefter Penn State's SCATTIRSTORM-mikroskop, som holdet designede og byggede til netop dette formål, til at spore molekylerne gennem hvert trin i nedbrydningsprocessen og fortolkede de resulterende videoer ved hjælp af beregningsmæssig behandling og biokemisk modellering.
"Traditionelle metoder observerer nedbrydningsprocessen i større skala, manipulerer kunstigt enzymets position eller fanger kun molekyler i bevægelse, hvilket betyder, at du kan gå glip af noget af den naturligt forekommende proces," sagde Will Hancock, professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab i Penn. State College of Engineering og en forfatter til papiret. "Ved at bruge SCATTIRSTORM-mikroskopet var vi i stand til at se individuelle cellulaseenzymer i aktion for virkelig at finde ud af, hvad der bremser denne proces og generere nye ideer til, hvordan den kan gøres mere effektiv."
Forskerne undersøgte specifikt virkningen af et svampecellulaseenzym kaldet Cel7A. Som en del af nedbrydningsprocessen tilfører Cel7A cellulose ind i en slags molekylær tunnel, hvor den hugges op.
"Cel7A flytter glukosekæden til 'fordøren' af tunnelen, kæden kløves, og produkterne kommer ud af 'bagdøren' i en slags pipeline," sagde Daguan Nong, assisterende forskningsprofessor i biomedicinsk ingeniørvidenskab i Penn State College of Engineering og første forfatter af papiret.
"Vi er ikke helt sikre på, hvordan enzymet leder glukosekæden til tunnelen, eller hvad der præcist foregår indeni, men vi vidste fra tidligere undersøgelser, at produktet, der kommer ud af bagdøren, cellobiose, kan forstyrre behandlingen af efterfølgende cellulose. molekyler Nu ved vi mere om, hvordan det forstyrrer."
Inde i tunnelen hakker Cel7A cellulose - som har gentagne enheder af glukose - op i cellobiosefragmenter med to sukker. Forskerne fandt ud af, at cellobiose i opløsning kan binde sig til "bagdøren" af tunnelen, hvilket kan bremse udgangen af efterfølgende cellobiosemolekyler, da det i det væsentlige blokerer vejen. Derudover fandt de ud af, at det kan binde til Cel7A nær hoveddøren, hvilket forhindrer enzymet i at binde sig til yderligere cellulose.
"Fordi cellobiose minder så meget om cellulose, er det måske ikke overraskende, at de små stykker kan komme ind i tunnelen," sagde Hancock. "Nu hvor vi har en bedre forståelse af, hvordan cellobiose præciserer tingene, kan vi udforske nye måder at finjustere denne proces. For eksempel kunne vi ændre for- eller bagdøren til tunnelen eller ændre aspekter af Cel7A-enzymet at være mere effektiv til at forhindre denne hæmning. Der har været meget arbejde med at udvikle mere effektive cellulaseenzymer i løbet af de sidste to årtier, og det er en utrolig kraftfuld tilgang lede denne indsats."
Denne forskning bygger på nyligt arbejde fra forskerholdet for at forstå andre vejspærringer for nedbrydningsprocessen – xylan og lignin – som de for nylig har offentliggjort i RSC Sustainability og Bioteknologi til biobrændstoffer og bioprodukter .
"Vi fandt ud af, at xylan og lignin virker på forskellige måder for at forstyrre nedbrydningen af cellulose," sagde Nerya Zexer, postdoc-forsker i biologi ved Penn State Eberly College of Science og hovedforfatter af RSC Sustainability-papiret. "Xylan overtrækker cellulosen, hvilket reducerer andelen af enzymerne, der kan binde til og flytte cellulose. Lignin hæmmer enzymets evne til at binde til cellulose såvel som dets bevægelse, hvilket reducerer enzymets hastighed og afstand."
Selvom der findes strategier til at fjerne komponenter som xylan og lignin fra cellulosen, sagde forskerne, at fjernelse af cellobiose er vanskeligere. En metode bruger et andet enzym til at spalte cellobiose, men det tilføjer yderligere omkostninger og kompleksitet til systemet.
"Omkring 50 cents pr. gallon af bioethanolproduktionsomkostninger er dedikeret kun til enzymer, så at minimere disse omkostninger ville gøre meget i forhold til at gøre bioethanol fra planteaffald mere konkurrencedygtig med fossile brændstoffer eller majsbaseret ethanol," sagde Anderson. "Vi vil fortsætte med at undersøge, hvordan man konstruerer enzymer og undersøge, hvordan enzymer kan arbejde sammen med det mål at gøre denne proces så billig og effektiv som muligt."
Forskerholdet ved Penn State inkluderer også Zachary Haviland, bachelorstuderende med hovedfag i biomedicinsk ingeniørvidenskab på tidspunktet for forskningen; Sarah Pfaff, kandidatstuderende i biologi på tidspunktet for forskningen; Daniel Cosgrove, indehaver af Eberly Family Chair i biologi; Ming Tien, professor emeritus i biokemi og molekylærbiologi; og Alec Paradiso, bachelorstuderende med speciale i bioteknologi.
Flere oplysninger: Daguan Nong et al, Single-molecule tracking afslører dobbelt hoveddør/bagdørs hæmning af Cel7A cellulase af dets produkt cellobiose, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2322567121
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences , RSC Sustainability
Leveret af Pennsylvania State University
Varme artikler
-
Bakteriesamfundet på den internationale rumstation ligner hjemDen Internationale Rumstation. Kredit:NASA Mikrobiologer ved University of California, Davis, der analyserede podninger taget af astronauter på Den Internationale Rumstation (ISS) og sammenlignede -
Forskere finder potentielle våben til kampen mod antibiotikaresistensElektronmikrofotografier af S. aureus . Kredit:Conlon Lab, UNC School of Medicine Forskere ved UNC School of Medicine har fundet ud af, at en bakterie kan blive meget mere eller mindre modtageli -
Forskning åbner porte for bedre målretning mod stofferGennem deres forskning, Cuello, sammen med D. Marien Cortes, fastlagt, hvordan man åbner porte for bedre målretning mod stoffer. Kredit:TTUHSC Forskere ved Texas Tech University Health Sciences Ce -
Undersøgelse finder, at australske huler er op til 500.000 år ældre, end vi troede, og det kunne …Kredit:Steve Bourne, Forfatter leveret, Forfatter leveret South Australias Naracoorte-huler er et af verdens bedste fossile steder, med en rekord, der strækker sig over mere end en halv million år.
- Atmosfæriske forskere identificerer den reneste luft på jorden i den første undersøgelse af sin …
- Ny elektrolyt standser hurtig nedgang i ydeevnen af næste generations lithiumbatteri
- Infrarødt glødende nanopartikel giver forskere udsigt over en levende musens hjerne
- Yahoo Japan, Linje for at fusionere forretning til dannelse af en onlinegigant
- Intet videnskabeligt bevis for, at krig er indgroet i menneskets natur, ifølge undersøgelse
- Hvordan dannes 'MAD'-tilvækst omkring et sort hul?