Ny metode til mikrobiel energiproduktion opdaget

For at alle levende ting skal lykkes, de skal reproducere sig og have energi til det. En organismes evne til at udvinde energi fra sine omgivelser-og gøre det bedre end sine konkurrenter-er et centralt krav for overlevelse. Indtil for nylig blev det antaget, at i hele biologien, fra mikrober til mennesker, der var kun to metoder til at generere og bevare den energi, der kræves til cellulær metabolisme og overlevelse.

Nu har forskere opdaget en tredje metode til mikrobiel energiproduktion, kaldet "flavinbaseret elektronbifurkation" (FBEB). Denne nyfundne metode er faktisk en ældgammel form for energiproduktion og bevarelse, men er så forskellig fra de kendte processer, at den repræsenterer et paradigmeskift i, hvordan forskere tænker om, hvordan organismer får energi. Mekanismen for, hvordan FBEB fungerer, var ukendt-det vil sige, indtil et gennembrud blev foretaget af forskere fra Biological Electron Transfer and Catalysis (BETCy) Energy Frontier Research Center, hvis medlemmer omfatter Cara E. Lubner, David W. Mulder, og Paul W. King fra U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Teamet undersøgte tidligere ukendte træk ved den katalytiske mekanisme, bliver kritisk, omfattende indsigt i, hvordan FBEB fungerer. Et af de vigtigste fund er, hvordan et unikt flavinmolekyle er i stand til at generere to energiniveauer fra en enkelt forstadieforbindelse. Et niveau bruges til at udføre en let kemisk reaktion, der henviser til, at den anden meget mere energisk bruges til at udføre vanskeligere kemi til at danne en højenergiforbindelse. Derved, de to reaktioner er koblet sammen, så energi, der normalt går til spilde, bevares i højenergiforbindelsen.

FBEB tillader en organisme at få mere energi "bang for pengene, "og nøglespilleren er den unikke flavin, der gør enzymet i stand til at udføre energibesparende kemi i modsætning til enhver anden, der er blevet undersøgt. Forskningen bringer en ny forståelse af elektronbifurkation og sætter en model for de underliggende mekanistiske principper, som de fungerer efter." Resultaterne bør muliggøre nye strategier til konstruktion af biologiske systemer til mere effektiv produktion af brændstoffer og kemikalier og til udvikling af katalytiske processer, der optimerer omdannelse af elektrokemiske reaktioner, "sagde NREL -forsker Cara Lubner." At forstå biokemien ved bifurkation vil gøre det muligt for mere informerede strategier for bioingeniørmikrober at producere højere niveauer af biobrændstoffer og reducerede kemikalier. "

Detaljer om undersøgelsen kan findes i artiklen "Mekanistisk indsigt i energibesparelse ved flavinbaseret elektronbifurkation" i tidsskriftet Naturens kemiske biologi . Artiklen blev forfattet af medlemmer af BETCy, der er placeret på NREL, Montana State University, Arizona State University, University of Georgia, og University of Kentucky.

"Da vi bedre forstår splittelsesmetoden, vi forestiller os, at der kan designes nye materialer og katalysatorer, der har den samme øgede effektivitet i de vigtige kemikalier, de udfører, "bemærkede NREL-videnskabsmand David Mulder. Et potentielt resultat er færre biprodukter fra katalytiske processer (biprodukter er normalt en konsekvens af energieffektive processer) og derfor besparelser på materialer og penge brugt på industrielle processer. Det kan også være muligt at tage fordel ved disse energieffektive veje inde i levende celler ved at konstruere mikrober til fortrinsvis at bruge dem til at lave bedre produkter såsom kemikalier, brændstoffer, eller hydrogengas.